Біосинтез РНК 1
Потік генетичної інформації називається експресією генів. Він включає процес транскрипції - біосинтез матричних РНК (як і інших типів клітинних РНК) на молекулі ДНК. і процес трансляції - біосинтез білка на мРНК. тобто генетична інформація ДНК реалізується шляхом програмованого через мРНК синтезу білків. що визначають в кінцевому рахунку фенотипічні ознаки живих організмів. Підраховано, що близько 90-95% ДНК E. coli експресується в мРНК. хоча велика частина останньої не кодує синтезу білка; невелика частина ДНК кодує синтез двох інших клітинних РНК. тобто рРНК і тРНК. Транскрипція. незважаючи на гадану схожість з реплікацією. зокрема хімічним механізмом, напрямком синтезу і використанням матриці. відрізняється рядом особливостей: не вимагає синтезу праймера, використовує не всю молекулу ДНК. а тільки її окремі короткі сегменти (окремі гени або групи генів) і, нарешті, вимагає наявності тільки одного з ланцюгів ДНК в якості матриці. яка повністю зберігається (при реплікації ДНК вона зберігається наполовину). Геном кожної клітини людини складається з 3,5 • 10 9 пар підстав; вони можуть забезпечити кодування більше 1,5 • 10 6 пар генів. Однак наявні дані про кількість і різноманітність білків в організмі людини (близько 100000) свідчать про те, що значна частина генома людини не транскрибується і відповідно не перекладається на амінокислотну послідовність білків. Відомо також, що певна частина нетрансльовані генома людини виконує регуляторну функцію в процесі експресії генів. У молекулі ДНК розрізняють, крім унікальних неповторяющихся послідовностей, що містять кодують гени. також безліч повторюваних послідовностей (повтори), біологічний сенс яких досі незрозумілий (див. далі).
Сучасні уявлення про механізм синтезу РНК в клітинах в значній мірі зобов'язані відкриттю в 1960 р в двох лабораторіях США (Дж. Хервіц і С. Вейс) особливого ферменту - РНК-полімерази. каталізує синтез РНК з вільних нуклеозидтрифосфатів. Фермент вимагає наявності іонів Mg 2+ або Мn 2+ і одночасно бути присутнім всіх 4 типів рибонуклеозидтрифосфатов (АТФ. ГТФ, ЦТФ і УТФ). Найдивнішим властивістю ферменту виявилося те, що для включення нуклеотидів в РНК необхідно обов'язкову присутність предобразую-ванною ДНК-матриці. При ретельному вивченні механізму синтезу РНК за участю РНК-полімерази. званої також ДНК-залежною РНК-полімераза (транскриптазой), було встановлено, що молекула предобразованной ДНК. необхідна для реакції полімеризації. повністю визначає послідовність рибонуклеотидов у знову синтезованої молекулі РНК. Іншими словами, на матриці ДНК комплементарно будується полирибонуклеотидов, що є копією первинної структури ДНК. з тією тільки різницею, що замість тіміділового нуклео-Тіда ДНК в РНК включається уридиловий нуклеотид. Реакція синтезу РНК в загальному вигляді може бути представлена наступним чином:
В синтезується молекулі РНК окремі мононуклеотиди, як і в ДНК. пов'язані між собою 3'-5'-фосфодіефірнимі містками. Крім того, сам механізм дії ферменту РНК-полімерази багато в чому збігається з такими ДНК-полімерази: синтез також йде в напрямку 5 '-> 3', ланцюг РНК має полярність, протилежну ланцюга предобразованной ДНК. Однак виявлені й істотні відмінності. РНК-полімераза Е. coli краще функціонує в присутності нативной двухцепочечной ДНК; в дослідах in vitro обидві ланцюга ДНК копіюються РНК-полімерази; in vivo транскрибується, найімовірніше, тільки один ланцюг ДНК. Припускають, що РНК-полімераза зв'язується з одним ланцюгом нативной ДНК в певній точці, викликаючи розплітання біспіральні структури на обмеженій ділянці, де і відбувається синтез РНК. Дані свідчать, що у E. coli, швидше за все, є єдина ДНК-зави
сімая РНК-полімераза. яка каталізує синтез усіх типів клітинних РНК.
РНК-полімераза Е. coli вивчена найбільш докладно. Це олігомерного фермент. що складається з двох однакових # 945; -субодиниці (мол. Маса 36000), двох різних # 946; (# 946; 1 і # 946; 2) -субодиниці (мол. Маса відповідно 151000 і 155000), # 969; -субодиниці (мол. Маса 11000) і # 963; -субодиниці; загальна мовляв. маса ферменту близько 390000. Вважають, що функція # 963; -субодиниці (# 963;-фактор) - впізнавання певної ділянки на матриці ДНК. названого промотором. до якого приєднується РНК-полімераза. В результаті утворюється так званий відкритий комплекс ферменту з ДНК. двох-цепочечная структура ДНК розкривається ( «плавиться»). Далі на одній з ниток ДНК. як на матриці. синтезується мРНК; синтез закінчується в певній точці в кінці гена або переривається під дією особливих білків. Іншим субодиницям ферменту приписують функцію ініціації біосинтезу РНК (# 945; -субодиниці) і основну каталітичну функцію (зв'язування субстратів і елонгація синтезу) - # 946; -субодиниці. Крім того, відкрито ряд білків. які беруть участь в механізмі синтезу РНК в клітині. Зокрема, досліджується природа репрессорних білків і білка-термінатора (# 961; -Фактори). Останній має здатність оборотно зв'язуватися з термінують ділянками ДНК (так звані стоп-сигнали транскрипції), вимикаючи дію РНК-полімерази. При відсутності цього білка утворюються виключно довгі ланцюги РНК.
У еукаріот відкриті три різні РНК-полімерази (I, II і III) з великою молекулярною масою (від 500000 до 600000), кожна з яких наділена специфічною функцією. РНК-полімераза I відповідальна за синтез тільки Хвороби (рРНК), точніше одного-єдиного прерібосомного РНК-транскрипту, попередника 5,8S, 18S і 28S рРНК; фермент зв'язується з різними промоторних ділянками. РНК-полімераза II - основний фермент. каталізує синтез матричної РНК (мРНК). Він наділений здатністю розпізнавати безліч промоторних ділянок, багато з яких мають специфічні ключові послідовності, які є місцями (сайтами) зв'язування транскрипційних білкових факторів. РНК-полімераза III каталізує переважно синтез транспортних РНК (тРНК), а також 5S рРНК і ряду інших низькомолекулярних РНК зі специфічною функцією. У еукаріот роботу РНК-полімерази забезпечує безліч регуляторних білків (фактори транскрипції), об'єднаних разом з ферментом в єдиний транскрипційний комплекс. Зокрема, відкриті транскрипційні фактори типу J, активні тільки у вигляді ідентичних димарів (J1J1 або J2J2) або різних димарів (J1J2); ці фактори кодуються окремими генами і самі запускають роботу ряду генів. регулюють клітинний розподіл. В результаті мутації генів. кодують синтез транскрипційних факторів, різко підвищується міцність зв'язування J-факторів з ДНК. що зазвичай призводить до нерегульованого пухлинному росту клітин.
