Життя у вуглецевій формі існує завдяки наявності білкових молекул. І біосинтез білка у клітині є єдиною можливістю для експресії гена. Але для реалізації цього процесу потрібен запуск низки процесів, пов'язаних з «розпакуванням» генетичної інформації, пошуку потрібного гена, його зчитування та відтворення. Термін "транскрипція" в біології якраз означає процес перенесення інформації з гена на інформаційну РНК. Це старт біосинтезу, тобто безпосередньої реалізації генетичної інформації.
Зберігання генетичної інформації
У клітинах живих організмів генетична інформація локалізована в ядрі, мітохондріях, хлоропластах та плазмідах. У мітохондріях та хлоропластах є незначна кількість ДНК тварин і рослин, тоді як плазміди бактерій є місцем зберігання генів, відповідальних за швидке пристосування до навколишніх умов.
У вірусних тілах спадкова інформація зберігається у вигляді РНК або ДНК-полімерів. Але процес її реалізації також пов'язаний із необхідністю транскрипції. У біології цей процес має виняткову важливість, оскільки він призводить до реалізації спадкової інформації, запускаючи біосинтез білка.
У тваринних клітинах спадкова інформація представлена полімером ДНК, який компактно упакований усередині ядра. Тому перед тим синтезом білка чи зчитуванням будь-якого гена мають пройти деякі етапи: розкручування конденсованого хроматину і «звільнення» необхідного гена, його розпізнавання ферментними молекулами, транскрипція.
У біології та біологічній хімії ці етапи вже вивчені. Вони призводять до синтезу білка, первинна структура якого закодована в ліченому гені.
Схема транскрипції в еукаріотичних клітинах
Транскрипція в біології хоч і вивчена недостатньо, та її послідовність зазвичай представляється як схеми. Вона складається з ініціації, елонгації та термінації. Це означає, що весь процес поділяється на три складові його явища.
Ініціація - це сукупність біологічних та біохімічних процесів, які призводять до початку транскрипції. Суть елонгації полягає у продовженні нарощування молекулярного ланцюжка. Термінація - це сукупність процесів, що призводять до припинення синтезу РНК. До речі, у контексті біосинтезу білка процес транскрипції у біології прийнято ототожнювати із синтезом матричної РНК. На підставі неї пізніше буде синтезований поліпептидний ланцюжок.
Ініціація
Ініціація – найменш вивчений механізм транскрипції у біології. Що це з погляду біохімії, невідомо. Тобто, конкретні ферменти, відповідальні за запуск транскрипції, зовсім не розпізнані. Також невідомими залишаються внутрішньоклітинні сигнали та способи їх передачі, які свідчать про необхідність синтезу нового білка. Для цитології та біохімії це фундаментальне завдання.
Елонгація
Розділити процес ініціації та елонгації в часі поки не можна через неможливість проведення лабораторних досліджень, покликаних підтвердити наявність специфічних ферментів та тригер-факторів. Тому цей кордон дуже умовний. Суть процесу елонгації зводиться до подовження ланцюжка, що росте, синтезованого на основі матричного ділянки ДНК.
Вважається, що елонгація починається вже після першої транслокації РНК-полімерази та початку приєднання першого кадону до стартової ділянки РНК. У ході елонгації на деспіралізованому та розділеному на два ланцюжки ділянці ДНК відбувається зчитування кадонів у напрямку 3"-5"-ланцюжка. У цей же час ланцюжок РНК, що росте, додається новими нуклеотидами, комплементарними матричному ділянці ДНК. При цьому ДНК розшивається на ширину 12 нуклеотидів, тобто на 4 кадони.
Фермент РНК-полімераза рухається по ланцюжку, що росте, а «ззаду» її відбувається зворотне «зшивання» ДНК у дволанцюжкову структуру з відновленням водневих зв'язків між нуклеотидами. Це частково відповідає питанням, який процес називається транскрипцією в біології. Саме елонгація є головною фазою транскрипції, тому що в її ході збирається так званий посередник між геном та синтезом білка.
Термінація
Процес термінації транскрипції еукаріотичних клітин слабо вивчений. Поки що вчені зводять його суть до припинення зчитування ДНК у 5"-кінця та приєднання групи аденінових основ до 3"-кінця РНК. Останній процес дозволяє стабілізувати хімічну структуру одержаної РНК. У бактеріальних клітинах є два види термінації. Це Rho-залежний та Rho-незалежний процес.
Перший протікає в присутності Rho-білка та зводиться до простого обриву водневих зв'язків між матричною ділянкою ДНК та синтезованою РНК. Другий, Rho-незалежний, відбувається після появи стебла-петлі, якщо за нею є сукупність урацилових основ. Ця комбінація призводить до від'єднання РНК від матриці ДНК. Очевидно, що термінація транскрипції — це ферментативний процес, проте конкретних його біокаталізаторів поки що знайти не вдається.
Вірусна транскрипція
Вірусні тільця не мають власної системи біосинтезу білка, тому не можуть розмножуватися без експлуатації клітин. Але віруси мають свій генетичний матеріал, який потрібно реалізовувати, а також вбудовувати у гени заражених клітин. Для цього вони мають низку ферментів (або експлуатують ферментні системи клітини), які транскрибують свою нуклеїнову кислоту. Тобто, цей фермент на підставі генетичної інформації вірусу синтезує аналог матричної РНК. Але він є зовсім не РНК, а ДНК-полімер, комплементарний генам, наприклад, людини.
Це повністю порушує традиційні принципи транскрипції у біології, що слід розглянути з прикладу вірусу HIV. Його фермент ревертазу з вірусної РНК здатний синтезувати ДНК, комплементарну нуклеїновій кислоті людини. У цьому процес синтезу комплементарної ДНК виходячи з РНК називається зворотної транскрипцією. Це у біології визначення процесу, відповідального за вбудовування спадкової інформації вірусу в геном людини.
З поняттям транскрипції ми зустрічаємось, вивчаючи іноземну мову. Вона допомагає нам правильно переписувати та вимовляти невідомі слова. Що розуміють під цим терміном у природознавстві? Транскрипція в біології – це ключовий процес у системі реакцій біосинтезу білка. Саме він дозволяє клітині забезпечувати себе пептидами, які виконуватимуть у ній будівельну, захисну, сигнальну, транспортну та інші функції. Тільки переписування інформації з локусу ДНК на молекулу інформаційної рибонуклеїнової кислоти запускає білоксинтезуючий апарат клітини, що забезпечує біохімічні реакції трансляції.
У цій статті ми розглянемо етапи транскрипції та синтезу білка, що протікають у різних організмів, а також визначимо значення цих процесів у молекулярній біології. Крім цього ми дамо визначення, що таке транскрипція. У біології знання з цікавих для нас процесів можна отримати з таких її розділів, як цитологія, молекулярна біологія, біохімія.
Особливості реакцій матричного синтезу
Для тих, хто знайомий з основними типами хімічних реакцій, що вивчаються в курсі загальної хімії, процеси матричного синтезу виявляться новими. Причина тут така: такі реакції, що протікають у живих організмах, забезпечують копіювання материнських молекул із використанням спеціального коду. Його відкрили не відразу, краще сказати, що сама ідея існування двох різних мов для зберігання спадкової інформації пробивала собі шлях протягом двох століть: з кінця 19 і до середини 20. Щоб краще уявити, що таке транскрипція і трансляція в біології і чому вони відносяться до реакцій матричного синтезу, звернемося для аналогії до технічної лексики.
Все як у друкарні
Уявіть, що нам потрібно надрукувати, наприклад, сто тисяч екземплярів найпопулярнішої газети. Весь матеріал, який увійде до неї, збирають на материнський носій. Цей перший зразок називається матрицею. Потім на друкарських верстатах його тиражують – знімають копії. Аналогічні процеси протікають і живої клітині, лише матрицями у ній по черзі служать молекули ДНК і и-РНК, а копіями - інформаційна РНК і молекули білків. Давайте розглянемо їх докладніше і з'ясуємо, що транскрипцією в біології називається реакція матричного синтезу, що протікає у клітинному ядрі.
Генетичний код - ключ до таємниці біосинтезу білка
У сучасній молекулярній біології вже ніхто не сперечається про те, яка речовина є носієм спадкових властивостей і зберігає дані про всі без винятку білки організму. Звичайно, це дезоксирибонуклеїнова кислота. Однак вона побудована з нуклеотидів, а білки, інформація про склад яких у ній зберігається, представлені молекулами амінокислот, які не мають жодної хімічної спорідненості з мономерами ДНК. Іншими словами, ми маємо справу з двома різними мовами. В одному з них слова – це нуклеотиди, в іншому – амінокислоти. Що ж виступить у ролі перекладача, який перекодує інформацію, отриману в результаті транскрипції? Молекулярна біологія вважає, що роль виконує генетичний код.
Унікальні властивості клітинного коду
Ось що є кодом, таблиця якого представлена нижче. Над його створенням працювали цитологи, генетики, біохіміки. Крім того, у розробці коду використовували знання криптографії. З огляду на його правила можна встановити первинну структуру синтезованого білка, адже трансляція в біології - це процес перекладу інформації про структуру пептиду з мови нуклеотидів і-РНК на мову амінокислот білкової молекули.
Ідея кодування в живих організмах вперше була озвучена Г. А. Гамовим. Подальші наукові розробки призвели до формулювання основних його правил. Спочатку встановили, що будова 20 амінокислот зашифрована в 61 триплет інформаційної РНК, що призвело до поняття виродженості коду. Далі з'ясували склад нонснес-кодонів, що виконують роль старту та зупинення процесу біосинтезу білка. Потім з'явилися положення про його колінеарність та універсальність, які завершили струнку теорію генетичного коду.
Де відбувається транскрипція та трансляція?
У біології кілька її розділів, що вивчають будову та біохімічні процеси в клітині (цитологія та молекулярна біологія), визначили локалізацію реакцій матричного синтезу. Так, транскрипція відбувається у ядрі з участю ферменту РНК-полімерази. У його каріоплазмі із вільних нуклеотидів за принципом комплементарності синтезується молекула і-РНК, яка списує інформацію про будову пептиду з одного структурного гена.
Потім вона через пори в ядерній оболонці виходить із клітинного ядра і виявляється у цитоплазмі клітини. Тут і-РНК має з'єднатися з кількома рибосомами, щоб сформувати полісому - структуру, готову зустріти молекули транспортних рибонуклеїнових кислот. Їхнє завдання – принести амінокислоти до місця ще однієї реакції матричного синтезу – трансляції. Розглянемо механізми обох реакцій докладно.
Особливості утворення молекул і-РНК
Транскрипція в біології - це переписування інформації про будову пептиду зі структурного гена ДНК на молекулу рибонуклеїнової кислоти, яка називається інформаційною. Як ми вже говорили раніше, вона відбувається у ядрі клітини. Спочатку фермент ДНК-рестриктазу розриває водневі зв'язки, що з'єднують ланцюги дезоксирибонуклеїнової кислоти, та її спіраль розплітається. До вільних полінуклеотидних ділянок приєднується фермент РНК-полімераза. Він активує складання копії – молекули і-РНК, яка крім інформативних ділянок – екзонів – містить ще й порожні послідовності нуклеотидів – інтрони. Вони є баластом і вимагають видалення. Цей процес у молекулярній біології називають процесингом чи дозріванням. На ньому завершується транскрипція. Біологія коротко пояснює це так: тільки втративши непотрібні мономери, нуклеїнова кислота зможе залишити ядро і буде готовою до подальших етапів біосинтезу білка.
Зворотня транскрипція у вірусів
Неклітинні форми життя разюче відрізняються від прокаріотичних та еукаріотичних клітин не лише своєю зовнішньою та внутрішньою будовою, а й реакціями матричного синтезу. У сімдесятих роках минулого століття наука довела існування ретровірусів – організмів, геном яких складається із двох ланцюгів РНК. Під дією ферменту – ревертази – такі вірусні частинки копіюють з ділянок рибонуклеїнової кислоти молекули ДНК, які потім впроваджуються в каріотип клітини-господаря. Як бачимо, списування спадкової інформації в цьому випадку йде у зворотному напрямку: від РНК до ДНК. Така форма кодування та зчитування характерна, наприклад, для патогенних агентів, що викликають різні види онкологічних захворювань.
Рибосоми та їх роль у клітинному метаболізмі
Реакції пластичного обміну, яких відноситься і біосинтез пептидів, протікають у цитоплазмі клітини. Щоб отримати готову молекулу протеїну, недостатньо скопіювати послідовність нуклеотидів зі структурного гена та перенести її до цитоплазми. Необхідні також структури, які займуться зчитуванням інформації та забезпечать з'єднання амінокислот у єдиний ланцюг за допомогою пептидних зв'язків. Це рибосоми, будови та функцій яких велику увагу приділяє молекулярна біологія. Де відбувається транскрипція, ми вже з'ясували – це каріоплазма ядра. Місце процесів трансляції – клітинна цитоплазма. Саме в ній розташовані канали ендоплазматичної мережі, на якій групами сидять білоксинтезуючі органели – рибосоми. Проте і їх наявність ще забезпечує початок пластичних реакцій. Потрібні структури, які доставлять до полісоми молекули-мономери білків – амінокислоти. Їх називають транспортними рибонуклеїновими кислотами. Що вони являють собою і яка їхня роль у трансляції?
Переносники амінокислот
p align="justify"> Невеликі молекули транспортних РНК у своїй просторовій конфігурації мають ділянку, що складається з послідовності нуклеотидів - антикодон. Для здійснення трансляційних процесів потрібно, щоби виник ініціативний комплекс. Він повинен включати триплет матриці, рибосоми та комплементарну ділянку транспортної молекули. Як тільки такий комплекс організувався – це сигнал до початку збирання білкового полімеру. Як трансляція, і транскрипція в біології - це процеси асиміляції, які відбуваються з поглинанням енергії. Для їхнього здійснення клітина готується заздалегідь, акумулюючи велику кількість молекул аденозинтрифосфорної кислоти.
Синтез цієї енергетичної речовини відбувається в мітохондріях - найважливіших органел всіх без винятку еукаріотичних клітин. Він передує початку реакцій матричного синтезу, займаючи місце у пресинтетичній стадії життєвого циклу клітини та після реакцій реплікації. Розщеплення молекул АТФ супроводжує транскрипційні процеси та реакції трансляції, що вивільнилася при цьому енергія використовується клітиною на всіх етапах біосинтезу органічних речовин.
Стадії трансляції
На початку реакцій, що призводять до утворення поліпептиду, 20 видів білка мономерів зв'язуються з певними молекулами транспортних кислот. Паралельно в клітині відбувається утворення полісоми: рибосоми приєднуються до матриці в місці розташування старт-кодону. Запуск біосинтезу починається, і рибосоми пересуваються триплетам і-РНК. До них підходять молекули, що транспортують амінокислоти. Якщо кодон в полісомі комплементарний антикодону транспортних кислот, то амінокислота залишається в рибосомі, і поліпептидна зв'язок, що утворюється, з'єднує її з вже перебувають там амінокислотами. Як тільки білоксинтезуюча органела доходить до стоп-триплету (зазвичай це УАГ, УАА чи УГА), трансляція припиняється. У результаті рибосома разом із білковою частинкою відокремлюється від и-РНК.
Як пептид набуває своєї нативної форми
Останнім етапом трансляції є процес переходу первинної структури білка в третинну форму, що має вигляд глобули. Ферменти видаляють у ній непотрібні амінокислотні залишки, приєднують моносахариди або ліпідні, а також додатково синтезують карбоксильні та фосфатні групи. Все це відбувається в порожнинах ендоплазматичного ретикулуму, куди пептид надходить після завершення біосинтезу. Далі нативна білкова молекула перетворюється на канали. Вони пронизують цитоплазму та сприяють тому, щоб пептид потрапив у певну ділянку цитоплазми і далі використовувався для потреб клітини.
У цій статті ми з'ясували, що трансляція та транскрипція в біології – це основні реакції матричного синтезу, що лежать в основі збереження та передачі спадкових задатків організму.
Спочатку встановіть послідовність етапів біосинтезу білка, починаючи з транскрипції. Всю послідовність процесів, що відбуваються при синтезі білкових молекул, можна поєднати у 2 етапи:
Транскрипція.
Трансляція.
Структурними одиницями спадкової інформації є гени – ділянки молекули ДНК, що кодують синтез певного білка. По хімічній організації матеріал спадковості та мінливості про- та еукаріотів принципово не відрізняється. Генетичний матеріал у яких представлений у молекулі ДНК, загальним є також принцип запису спадкової інформації та генетичний код. Одні й самі амінокислоти у про — і еукаріотів шифруються однаковими кодонами.
Геном сучасних прокаріотів характеризується відносно невеликими розмірами, ДНК кишкової палички має вигляд кільця, довжиною близько 1 мм. Вона містить 4 х 106 пар нуклеотидів, що утворюють близько 4000 генів. У 1961 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно відкрили цистронну, або безперервну організацію генів прокаріотів, які повністю складаються з нуклеотидних послідовностей, що кодують, і вони повністю реалізуються в ході синтезу білків. Спадковий матеріал молекули ДНК прокаріотів розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також знаходяться необхідні для експресії генів тРНК і ферменти. Експресія - це функціональна активність генів, або вираз генів. Тому синтезована з ДНК іРНК здатна одночасно виконувати функцію матриці у процесі трансляції синтезу білка.
Геном еукаріотів містить значно більше спадкового матеріалу. У людини загальна довжина ДНК у диплоїдному наборі хромосом становить близько 174 см. Вона містить 3 х 109 пар нуклеотидів і включає до 100000 генів. У 1977 р. було виявлено уривчастість у будові більшості генів еукаріотів, що отримав назву «мозаїчний» ген. Для нього характерні нуклеотидні послідовності, що кодують. екзонніі інтронніділянки. Для синтезу білка використовується лише інформація екзонів. Кількість інтронів варіює у різних генах. Встановлено, що ген овальбуміну курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців – 50. Функції ДНК, що мовчить, – інтронів остаточно не з'ясовані. Припускають, що вони забезпечують: структурну організацію хроматину; 2) деякі з них, очевидно, беруть участь у регуляції експресії генів; 3) інтрони вважатимуться запасом інформації для мінливості; 4) можуть грати захисну роль, приймаючи він дію мутагенів.
Транскрипція
Процес переписування інформації у ядрі клітини з ділянки молекули ДНК на молекулу мРНК (іРНК) називається транскрипція(Лат. Transcriptio - Переписування). Синтезується первинний продукт гена-мРНК. Це перший етап синтезу білка. На відповідній ділянці ДНК фермент РНК-полімераза дізнається знак початку транскрипції. промотр.Стартовою точкою вважається перший нуклеотид ДНК, який включається ферментом РНК-транскрипт. Як правило, діючі ділянки починаються кодоном АУГ, іноді у бактерій використовується ГУГ. Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплітання подвійної спіралі ДНК і копіюється один із ланцюгів за принципом комплементарності. Синтезується мРНК, швидкість збирання її досягає 50 нуклеотидів в секунду. У міру руху РНК-полімерази, росте ланцюг мРНК, і коли фермент досягне кінця копіювальної ділянки - термінаторамРНК відходить від матриці. Подвійна спіраль ДНК за ферментом відновлюється.
Транскіпція прокаріотів здійснюється в цитоплазмі. У зв'язку з тим, що ДНК повністю складається з нуклеотидних послідовностей, що кодують, тому синтезована мРНК відразу виконує функцію матриці для трансляції (див. вище).
Транскрипція мРНК у еукаріотів відбувається в ядрі. Вона починається синтезом великих за розмірами молекул - попередників (про-мРНК), званих незрілої, або ядерної РНК. Первинний продукт гена-про-мРНК є точною копією транскрибованої ділянки ДНК, включає екзони та інтрони. Процес формування зрілих молекул РНК із попередників називається процесингом. Дозрівання мРНК відбувається шляхом сплайсинг- це вирізання ферментами рестриктазінтронів та з'єднання ділянок з транскрибованими послідовностями екзонів ферментами лігаз. (Мал.). Зріла мРНК значно коротше молекул-попередників про - мРНК, розміри інтронів у них варіює від 100 до 1000 нуклеотидів і більше. Перед інтронів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК.
Наразі доведено можливість альтернативного сплайсингу,при якому з одного первинного транскрипта можуть видаляться в різних ділянках нуклеотидні послідовності і будуть утворюватися кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл.
Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом з ядра. Встановлено, що до цитоплазми потрапляє всього 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі.
Трансляція
Трансляція (лат. Translatio - передача, перенесення) - Переведення інформації, укладеної в послідовності нуклеотидів молекули мРНК, в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга (Рис. 10). Це другий етап білкового синтезу. Перенесення зрілої мРНК через пори ядерної оболонки виробляють спеціальні білки, що утворюють комплекс із молекулою РНК. Крім транспорту мРНК, ці білки захищають мРНК від дії цитоплазматичних ферментів, що пошкоджують. У процесі трансляції центральна роль належить тРНК, вони забезпечують точну відповідність амінокислоти коду триплету мРНК. Процес трансляції-декодування відбувається в рибосомах і здійснюється в напрямку від 5 до 3 Комплекс мРНК і рибосом називається полісомою.
У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію.
Ініціація.
На цьому етапі відбувається складання всього комплексу, що бере участь у синтезі молекули білка. Відбувається об'єднання двох субодиниць рибосом на певній ділянці мРНК, приєднання до неї першої аміноацил тРНК і цим задається рамка зчитування інформації. У молекулі будь-якої м-РНК є ділянка, комплементарна р-РНК малої субодиниці рибосоми і специфічно нею керований. Поряд з ним знаходиться ініціювальний стартовий кодон АУГ, який кодує амінокислоту метіонін.
Елонгація
- Вона включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. На рибосомі є дві ділянки зв'язування двох молекул т-РНК. В одній ділянці-пептидильній(П) знаходиться перша т-РНК з амінокислотою метіонін і з нього починається синтез будь-якої молекули білка. До другої ділянки рибосоми-аміноацильна (А) надходить друга молекула т-РНК і приєднується до свого кодону. Між метіоніном та другою амінокислотою утворюється пептидна зв'язок. Друга т-РНК переміщається разом зі своїм кодоном м-РНК у пептидильний центр. Переміщення т-РНК з поліпептидним ланцюжком з аміноацильного центру в пептидильний супроводжується просуванням рибосоми м-РНК на крок, що відповідає одному кодону. Т-РНК, що доставила метіонін, повертається до цитоплазми, амноацильний центр звільняється. До нього надходить нова т-РНК із амінокислотою, зашифрованою черговим кодоном. Між третьою та другою амінокислотами утворюється пептидна зв'язок і третя т-РНК разом з кодоном м-РНК переміщається в пептидильний центр. Процес елонгації, подовження білкового ланцюга. Триває до тих пір, поки в рибосому не потрапить один із трьох кодонів, що не кодують амінокислоти. Це кодон - термінатор і для нього не існує відповідної т-РНК, тому жодна з т-РНК не може зайняти місце в аміноацильному центрі.
Термінація
- Завершення синтезу поліпептиду. Вона пов'язана з впізнаванням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ, УГА), коли він входитиме до аміноацильного центру. До рибосоми приєднується спеціальний фактор термінації, який сприяє роз'єднанню субодиниць рибосоми та звільненню синтезованої молекули білка. До останньої амінокислоти пептиду приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від т-РНК.
Складання пептидного ланцюга здійснюється з великою швидкістю. У бактерій при температурі 37°С вона виявляється у додаванні до поліпептиду від 12 до 17 амінокислот на секунду. В еукаріот клітин до поліпептиду додається дві амінокислоти в одну секунду.
Синтезований поліпептидний ланцюг потім надходить у комплекс Гольджі, де завершується побудова білкової молекули (послідовно виникають друга, третя, четверта структури). Тут відбувається комплексування білкових молекул з жирами і вуглеводами.
Весь процес біосинтезу білка представлений у вигляді схеми: ДНК ® про іРНК ® мРНК ® поліпептидний ланцюг ® білок® комплексування білків та їх перетворення на функціонально активні молекули.
Етапи реалізації спадкової інформації також протікають подібним чином: спочатку транскрибується в нуклеотидну послідовність мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність поліпептиду на рибосомах за участю тРНК.
Транскрипція еукаріотів здійснюється під дією трьох ядерних РНК-полімераз. РНК-полімераза 1 знаходиться в ядерцях і відповідає за транскрипцію генів рРНК. РНК-полімераза 2 знаходиться в ядерному соку та відповідає за синтез попередника мРНК. РНК-полімераза 3 -невелика фракція в ядерному соку, яка здійснює синтез малих рРНК та тРНК. РНК-полімерази специфічно дізнаються про нуклеотидну послідовність транскрипції-промотор. Еукаріотична мРНК спочатку синтезується у вигляді попередниці (про-іРНК), на неї списується інформація з екзонів та інтронів. Синтезована мРНК має більші, ніж необхідно для трансляції розмірами і виявляється менш стабільною.
У процесі дозрівання молекули мРНК з допомогою ферментів рестриктаз вирізуються інтрони, і з допомогою ферментів – лігаз зшиваються екзони. Дозрівання мРНК називається процесингом, зшивання екзонів називається сплайсингом. Таким чином, зріла мРНК містить лише екзони і вона значно коротша за її попередницю – про-іРНК. Розміри інтронів варіюють від 100 до 10000 нуклеотидів та більше. Перед інтонів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК. В даний час доведена можливість альтернативного сплайсингу, при якому з одного первинного транскрипта можуть видалятися в різних ділянках нуклеотидні послідовності і утворюватимуться кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл. Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму з ядра. Встановлено, що потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі. Перетворення первинних транскриптонів еукаріотичних генів, пов'язане з їх екзон-інтронною організацією, та у зв'язку з переходом зрілої мРНК з ядра в цитоплазму, визначає особливості реалізації генетичної інформації еукаріотів. Отже, мозаїчний ген еукаріотів не є геном цистроном, тому що не вся послідовність ДНК використовується для синтезу білка.
Транскрипція в біології - це багатоступінчастий процес зчитування інформації з ДНК, що є складовою. Нуклеїнова кислота є носієм генетичної інформації в організмі, тому важливо правильно її розшифрувати та передати іншим клітинним структурам для подальшого збирання пептидів.
Визначення "транскрипція в біології"
Синтез білка є основним життєво важливим процесом у будь-якій клітині організму. Без створення молекул пептиду неможлива підтримка нормальної життєдіяльності, тому що ці органічні сполуки беруть участь у всіх процесах метаболізму, є структурними компонентами багатьох тканин і органів, відіграють сигнальну і регулюючу та захисну ролі в організмі.
Процес, з якого починається біосинтез білка, є транскрипція. Біологія коротко поділяє його на три етапи:
- Ініціація.
- Елонгація (наростання ланцюга РНК).
- Термінація.
Транскрипція в біології - це цілий каскад покрокових реакцій, у яких на матриці ДНК синтезуються молекули РНК. Причому в такий спосіб формуються як інформаційні рибонуклеїнові кислоти, але й транспортні, рибосомальні, малі ядерні та інші.
Як і будь-який біохімічний процес, транскрипція залежить від багатьох факторів. Насамперед, це ферменти, які відрізняються у прокаріотів та еукаріотів. Ці спеціалізовані білки допомагають ініціювати та проводити реакції транскрипції безпомилково, що важливо для якісного одержання білка на виході.
Транскрипція прокаріотів
Оскільки транкрипція в біології - це синтез РНК на матриці ДНК, то цьому процесі головним ферментом є ДНК-зависимая РНК-полимераза. У бактерій існує лише один вид таких полімераз для всіх молекул
РНК-полімераза за принципом компліментарності добудовує ланцюг РНК, використовуючи матричний ланцюг ДНК. У складі цього ферменту є дві β-субодиниці, одна α-субодиниця і одна σ-субодиниця. Перші дві складові виконують функцію утворення тіла ферменту, інші два відповідають за утримання ферменту на молекулі ДНК і впізнавання промотерної частини дезоксирибонуклеїнової кислоти відповідно.
До речі, сигма-фактор служить однією з ознак, якими розпізнається той чи інший ген. Наприклад, латинська буква з індексом N означає те, що ця РНК-полімераза дізнається гени, які включаються при нестачі азоту в навколишньому середовищі.
Траскрипція у еукаріотів
На відміну від бактерій, у тварин та рослин транскрипція відбувається дещо складніше. По-перше, у кожній клітині знаходяться не один, а цілих три види різних РНК-полімераз. Серед них:
- РНК-полімераза I. Вона відповідає за транскрипцію генів рибосомальних РНК (виняток становить 5S РНК субодиниць рибосоми).
- РНК-полімераза II. Її завдання полягає у синтезі нормальних інформаційних (матричних) рибонуклеїнових кислот, які надалі беруть участь у трансляції.
- РНК-полімераза III. Функція цього виду полімераз полягає в тому, щоб синтезувати і 5S-рибосомальну РНК.
По-друге, для впізнавання промотора в еукаріот клітин мало мати тільки полімеразу. В ініціації транскрипції також беруть участь спеціальні пептиди, які називаються TF-білками. Тільки з їх допомогою РНК-полімераза може сісти на ДНК і розпочати синтез молекули рибонуклеїнової кислоти.
Значення транскрипції
Молекула РНК, що утворюється на матриці ДНК, згодом приєднується до рибосом, де з неї зчитується інформація та синтезується білок. Процес утворення пептиду дуже важливий клітини, т.к. без цих органічних сполук неможлива нормальна життєдіяльність: вони насамперед є основою найважливіших ферментів всіх біохімічних реакцій.
Транскрипція в біології - це ще й джерело рРНК, а також тРНК, які беруть участь у перенесенні амінокислот під час трансляції до цих немембранних структур. Також можуть синтезуватися мяРНК (малі ядерні), функція яких полягає у сплайсингу всіх молекул РНК.
Висновок
Трансляція та транскрипція у біології відіграють виключно важливу роль у синтезі білкових молекул. Ці процеси є основною складовою центральної догми молекулярної біології, яка свідчить, що у матриці ДНК синтезується РНК, а РНК, своєю чергою, є основою початку формування молекул білка.
Без транскрипції неможливо було вважати інформацію, яка закодована в триплетах дезоксирибонуклеїнової кислоти. Це ще раз доводить важливість процесу біологічно. Будь-яка клітина, чи вона прокаріотична чи еукаріотична, повинна постійно синтезувати нові та нові молекули білка, які потрібні в даний момент для підтримки життєдіяльності. Тому транскрипція в біології – це основний етап у роботі кожної окремої клітини організму.
Біосинтез РНК – транскрипція –процес зчитування генетичної інформації з ДНК, у якому нуклеотидна послідовність ДНК кодується як нуклеотидної послідовності РНК. Використовується як енергія та субстрат – нуклеозид-3-фосфат з рибозою. В основі лежить принцип компліментарності- Консервативний процес - синтезується нова одноланцюгова РНК під час усієї інтерфази, починається в певних ділянках - промоторах, закінчується в термінаторах, а ділянка між ними - оперон (транскриптон) - містить один або кілька функціонально пов'язаних генів, іноді містить гени які не кодують білки. Відмінності транскрипції: 1) транскрибуються окремі гени. 2) не потрібний праймер. 3) у РНК включається рибоза, а не дезоксирибозу.
Етапи транскрипції: 1) зв'язування РНК-полімерази з ДНК. 2) ініціація - утворення ланцюга РНК. 3) елонгація чи зростання ланцюга РНК. 4) термінація.
1 етап – ділянка з яким зв'язується РНК-полімераза називається промотор (40 нуклеотидних пар) – має сайт впізнавання, прикріплення, ініціації. РНК-полімераза дізнавшись промотора сідає на нього і утворюється закритий промоторний комплекс, в якому ДНК спіралізовано і комплекс може легко дисоціювати і переходити у відкритий промоторний комплекс - міцні зв'язки, азотисте основа вивертається назовні.
2 етап – ініціаціясинтезу РНК полягає в утворенні декількох ланок у ланцюзі РНК, синтез починається на одному ланцюзі ДНК 3'-5' і йде у напрямку 5'-3'. Стадія закінчується відділенням б-субодиниці.
3 етап – елонгація- Подовження ланцюжка РНК - відбувається за рахунок Core-рРНК-полімерази. Нитка ДНК деспіралізована на 18 парах, а на 12 - гібрид - загальний гібрид ДНК і РНК. РНК-полімераза просувається по ланцюжку ДНК, а після відновлення ланцюжка ДНК. У еукаріотів коли РНК досягає 30 нуклеотидів на 5'-кінці утворюється захисна структура КЕП.
4 стадія - термінація– відбувається на термінаторах. У ланцюжку знаходиться ділянка багата ГЦ, а потім від 4 до 8 розташованих поспіль А. Після проходження ділянки в продукті РНК утворюється шпилька і фермент далі не йде, синтез припиняється. Важливу роль грає білковий фактор термінації – ро та тауер. Поки йшов синтез пірофосфат пригнічував ро білок, т.к. фермент зупинився (шпилька) припинився синтез фосфорної кислоти. Ро білок активується і виявляє нуклеозидфосфатазну активність, що призводить до вивільнення РНК, РНК-полімерази, яка надалі об'єднується із субчастицею.
Процесинг –дозрівання РНК. Включає: 1) утворення КЕП на 5'-кінці, бере участь у приєднання до рибосоми. 2) на 3'-кінці відбувається поліаденілювання і утворюється хвіст зі ста-двохсот аденілових нуклеотидів, він захищає '-кінець від дії нуклеаз і допомагає проходити через ядерні пори і відіграє роль приєднання до рибосоми. 3) сплайсинг -вирізається послідовності, що не кодують, - інтрони. Це відбувається двома шляхами: а) здійснюється сплайсосомою – це нуклеопротеїд, що містить ряд білків та малу ядерну РНК. На початку відбувається випетлювання інтронів, при цьому залишаються тільки послідовності, що кодують - екзони. Ферменти ендонуклеази розрізають, а лігази зшивають екзони, що залишилися. Т.О. інтрони йдуть. Альтернативний сплайсинг – однією послідовності нуклеїнової кислоти РНК утворюють кілька білків. Самосплайсинг – самостійне видалення інтронів. Порушення сплайсингу: 1) системний червоний вовчак. 2) фенілкетонурія. 3) гемоглобінопатія. Матрична РНК прокаріотів не піддається процесингу, т.к. вони не інтронів. Процесинг тРНК. Попередник тРНК розщеплюється і відщеплюється нуклеотид 5'-3' Q P. До 3'-кінця приєднується послідовність ССА з ОН-групою, на 5' кінці фосфорильована пуринова основа. Дугідроурідінова петля - АРСаза. Процесинг рРНК.Попередник рРНК - прорибосомальна РНК 45S синтезується в ядерці і піддається дії рибонуклеаз і утворюється 5,8S 18S 28S. Вони на 70% спіралізуються. рРНК грає роль формуванні рибосоми і бере участь у каталітичних процесах. Субодиниця формується з рРНК в ядрі. Мала субодиниця 30S, велика субодиниця 50S і утворюється рибосома 70S у прокаріотів, у еукаріотів 40S + 60S = 80S. Формування рибосом відбувається у цитоплазмі.
Ділянки рибосом для зв'язування РНК: 1) у малих субодиницях, які мають послідовність Шайна-Далгорна мРНК 5'ГГАГГ3' 3'ЦЦУЦЦ5'. Матрична РНК кріпиться до малої субодиниці. У еукаріотів КЕП-зв'язувальна ділянка для мРНК. Ділянка для зв'язування з тРНК: а) Р-ділянка – пептидильний центр для зв'язування мРНК з зростаючим пептидним ланцюгом – пептидил-тРНК-зв'язуючий. б) А-дільниця – для зв'язку тРНК з амінокислотою – аміноацильна ділянка 2) У великій субодиниці Е-дільниця з пептидилтрансферазною активністю.
Зворотня транскрипціяхарактерна для ретровірусів або віруси, що містять РНК – вірус ВІЛ-інфекції, онковіруси.
На ланцюжку РНК відбувається синтез ДНК під дією ферменту зворотної транскриптази або ревертази, або ДНК РНК-полімеразу. Впроваджуючись у клітину хазяїна відбувається синтез ДНК, яка вбудовується в ДНК хазяїна і починається транскрипція своїх РНК і синтез власних білків.
Генетичний код, його характеристика.Генетичний код – це нуклеотидна послідовність молекули рРНК у якій є кодові слова кожної амінокислоти. Він полягає у певній послідовності розташування нуклеотидів у молекулі ДНК.
Характеристики. 1) генетичний код триплетний - тобто. кожна а/к-та зашифрована трьома нуклеотидами. 2) генетичний код для а/к є виродженим чи надлишковим – переважна більшість а/к кодується кількома кодонами. Усього 64 триплети утворюється, їх 61 триплет кодує певну а/к, а три триплета – АУГ, УАА, УГА є нонсенс-кодонами, т.к. вони не кодують жодної з 20 а/к, виконують функцію термінації синтезу. 3) Генетичний код є безперервним, відсутні розділові знаки, тобто. сигнали, що вказують на кінець одного триплету та початку іншого. Код є лінійним, односпрямованим, безперервним. Наприклад – АЦГУЦГАЦЦ. 4) кодоном включення синтезу служить триплет АУГ. 5) Генетичний код є універсальним.
22. Трансляція -біосинтез білка. Етапи трансляції: 1) ініціація. 2) елонгація. 3) термінація. Ініціація– відбувається активація а/к.
Ініціююча аатРНК взаємодіятиме з 1 а/к майбутнього білка тільки карбоксильною групою, а 1 а/к може давати на синтез тільки NH 2 групу, т.ч. синтез білка починається з N-кінця.
Складання ініціюючого комплексу на малій субчастинці. Фактори: 30S мРНК фомілметіоніл тРНК IF 123 Mg 2+ ГТФ – джерело енергії
Навантажена чинниками ініціації мала субодиниця знаходить на мРНК старт кодон АУГ чи ГУГ і у ньому встановлюється рамка зчитування, тобто. старт кодон міститься в Р-дільницю. До нього підходить формалметіоніл тРНК, що супроводжується вивільненням фактора IF 3, потім приєднується велика субодиниця і вивільняється IF 1 і IF2, відбувається гідроліз 1ГТФ і утворюється рибосома. Елонгація- Робочий цикл рибосоми. Включає три кроки: 1) зв'язування аатРНК з А-дільницею т.к. зайнятий Р-ділянка - потрібні фактори елонгації EF-TU, EF-TS і ГТФ. Чинники елонгації у прокаріотів: EF-TU, EF-TS, EF-G. 3 )Транслокація– спочатку EF-G деацильована тРНК Р-ділянки залишає рибосому, відбувається переміщення на 1 триплет у бік 3 кінця; переміщення пептиду з А, в Р-ділянку – використовується ГТФ та фактор елонгації – EF-G-транслоказу, А – ділянка знову вільна і процес повторюється. Термінація- впізнавання термінуючих кодонів УАА, УГА, УАГ за допомогою релізинг-факторів RF 1 2 3. При попаданні термінального кодону в А-ділянку до нього не приєднується тРНК, а приєднується один із факторів термінації, який блокує елонгацію, що супроводжується активацією естеразної активності пептидилтранс ділянки Е. Відбувається гідроліз складних ефірних зв'язків між пептидом і тРНК, рибосома залишає пептид, тРНК та дисоціює на субодиниці, які потім можуть бути використані.
Формування структури відбувається одночасно за допомогою білків-шаперонів – білки теплового шоку. На синтез одного пептидного зв'язку витрачається 1АТФ на аміноацилювання тРНК (приєднання амінокислоти), 1ГТФ на зв'язок аатРНК з А-дільницею та 1ГТФ на транслокацію. Витрата енергії близько 4 макроергічних зв'язків на синтез одного пептидного зв'язку.
23. Лактозний оперон.Регуляція реплікації здійснюється за допомогою концентрації білка Dna та гуанозинтетрафосфату. Основна регуляція експресії генів складає рівні транскрипції (залежить від стадії розвитку клітини, всіх чинників, дії гормонів та інших регуляторних компонентів). У різних клітинах тканин лише 5% генів експресується, 97% мовчать – сміттєві ДНК – регулятори транскрипції – це хрономери та ряд регуляторних послідовностей. Якщо приєднання білка-регулятора до ДНК викликає транскрипцію, це позитивна (+) регуляція, якщо придушення транскрипції – негативна (-) регуляція. Позитивне регулювання- ген вимкнений, приєднання білка-регулятора призводить до початку синтезу, в результаті ген вмикається. Т.О. білок-регулятор може бути індуктором чи активатором . Негативне регулювання- ген увімкнений, йде синтез РНК, якщо приєднується білковий фактор регуляції (інгібітор або репресор синтезу білка)Д ген вимикається. Багато гормонів та інші фактори впливають на приєднання білка регулятора. Лактозний оперон E. Coli- Негативне регулювання. Основні елементи його роботи: в молекулі ДНК - ділянка регулятор, промотор, про-оперон і три структурні гени: лаг 1, лаг 2, лаг 3 і термінатор. Лаг 1 – здійснює синтез ферменту лактази або бета-галактозидази. Лаг 2 – фермент перміазу, що бере участь у транспорті лактози через мембрану. Лаг 3 – фермент трансацилазу. Регулятор – синтез мРНК на рибосомі, веде до утворення білка репресора, він приєднується до оператора (т.к. має спорідненість), сідає нього, т.к. ділянки промотору та оперону перекриваються – РНК-полімераза не може приєднатися до промотору та транскрипція вимикається. Глюкоза та галактоза забезпечую подібність репресора та оператора. Якщо подібності нічого очікувати, лактоза взаємодіє з репресором, змінюючи його трансформацію, і він сідає на оперон, т.к. втрачає подібність щодо нього. РНК-полімераза сідає на промотор і починається транскрипція матричної РНК. Лактоза - це індуктор, а процес - індукція - форма негативної регуляції, так звана тому, що транскрипція припиняється через приєднання репресора і його відщеплення призводить до початку синтезу. Позитивне регулювання – ТАТА фактор- Має подібність до ділянки ТАТА-бокс. ТАТА фактор сідає на ТАТА-бокс – сигнал для РНК-полімерази для впізнавання свого промотора, сіла на нього та почала транскрипцію поряд розташованих генів. У прокаріотів переважає негативна регуляція, для еукаріотів це не вигідно. Ділянки-енхансери (підсилювачі транскрипції) + білок-регулятор призводить до посилення транскрипції. Саїнсери + білок-регулятор вимикає транскрипцію і змінює структуру хромосом.
