Транскрипция – это синтез молекулы РНК или это процесс переписывания нуклеотидов гена с ДНК в РНК, всегда происходит на стадии двунитевой молекулы ДНК, при этом матрицей служит одна нить, которая называется антикодирующей.
Процесс транскрипции:
- РНК – копия содержит в себе весь объем информации определенного участка ДНК.
- РНК сохраняет способность к образованию водородных связей между комплементарными основаниями (так как урацил, присутствующий в РНК вместо тимина спаривается с аденином)
- Транскрипция отличается от репликации, при этом РНК-копия, после завершения ее синтеза освобождается от ДНК-матрицы, после чего происходит восстановление исходной двойной спирали ДНК.
- Синтезирующие молекулы РНК имеют одноцепочечную структуру, она короче ДНК и соответствует длине участка ДНК, который достаточен для кодирования одного или нескольких белков.
Особенности данного процесса:
- В клетках эукариот – прежде чем превратится в и-РНК и попасть в цитоплазму, РНК претерпевает химические изменения.
- В цитоплазме на каждой и-РНК синтезируются тысячи копий. Скорость этого процесса очень высока.
Генетический код – это аминокислотная последовательность белков. Он был расшифрован в 1961 году учеными Миренберпом и Маттеи, которые установили:
- Кодирование аминокислот осуществляется триплетами нуклеотидов (кодонами) Из 4-х азотистых оснований можно составить 64 различные комбинации, которых достаточно для кодирования 20 аминокислот.
- Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, в результате которой кодируется определенная аминокислота.
Последовательность аминокислот в любом белке зависит от последовательности азотистых оснований в ДНК, содержащихся в той клетке, где синтезируется данный белок. Заложенная в ДНК информация считывается в процесс транскрипции матричной РНК (м-РНК) и переносится в белоксинтезирующую систему на рибосомы.
Этапы биосинтеза белка
1 этап – этап активации аминокислот
Компоненты:
- 20 аминокислот
- 20 ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз
- 20 и более т-РНК, а также АТФ и ионы Мg²+
На этом этапе осуществляется АТФ-зависимые превращения аминокислот в аминоацил-т-РНК. Этап протекает в две стадии:
- из аминокислоты и АТФ образуется аминоацил-аденилат – это активированное соединение (ангидрид), в котором карбоксильная группа аминокислоты соединена с фосфатной группой адениновой кислоты.
- аминоацидная группа аминоацил-аденилата переносится на молекулу соответствующей т-РНК. В результате образуется аминоацил-т-РНК – это активированное соединение, участвующее в биосинтезе белка. Этот процесс активизируется аминоцаил-т-РНК-синтетазами.
Во всех случаях на 2-ой стадии активированная аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты, или адениловому нуклеотиду в триплете ЦЦА (ССА) на третьем конце молекулы т-РНК (3’-Т-РНК).
Молекулы т-РНК переводят информацию, заключенную в и-РНК на язык белка. Таким образом, генетический код расшифровывается с помощью двух адаптаров: это т-РНК и аминоцаил-т-РНК-синтетаза, в результате чего каждая аминокислота может занять место, определенное ей триплетной нуклеотидной последовательностью в и-РНК, т. е. своим кодоном.
Для дальнейшего синтеза необходимы рибосомы. Синтез белков, входящих в состав рибосомной структуры, происходит цитоплазме, самосборка – в ядрышке за счет взаимодействия молекул белков и рибосомной РНК при участии ионов Мg²+.
р-РНК выполняет роль каркасов для упорядоченного расположения рибосомных полипептидов.
Суб-частицы в рибосоме расположены несимметрично, имеют неправильную форму, и соединены друг с другом так, что между ними остается бороздка, через которую проходит молекула и-РНК в процесс синтеза полипептидной цепи, а также 2-ая бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь.
2 этап – Инициация полипептидной цепи
Компоненты:
- и-РНК, гуанозинтрифосфат (ГТФ), ионы Мg²+
- N-формилметионил-т-РНК
- Инициирующий кодон в и-РНК
- Рибосомные субчастицы (30S, 50S)
- Факторы инициации (IF 1;2;3)
У E. coli и других прокариот N-концевой аминокислотой при сборке полипептидной цепи всегда является остаток N-формилметианила.
Стадии образования инициирующего комплекса:
Первая стадия:
- В результате взаимодействия 30S субъединицы (субчастицы) и фактора инициации образуется структура, в которой белок препятствует ее ассоциации с 50S субчастицей.
- Присоединение к 30S субчастице и-РНК достигается с помощью инициирующего сигнала, представляющего собой богатую пуриновыми основаниями последовательность, центр которой находится на расстоянии 10 нуклеотидов от 5’-конца инициирующего кодона и-РНК.
- Первый транслируемый кодон расположен на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца.
- Инициирующий сигнал, представленный коротким участком и-РНК, в результате взаимодействия с комплементарной последовательностью нуклеотидов, расположенных с 3-го конца 30S субчастицы, способствует фиксированию и-РНК в нужном для инициации положении.
- Это взаимодействие обеспечивает правильное положение инициирующего кодона на 30S субчастице.
Второй стадия:
- К комплексу, состоящему из 30S субчастицы, фактора инициации и и-РНК, присоединяются ранее связавшиеся с N-формилметионилом т-РНК, второй фактор инициации и гуанозин-трифосфат (ГТФ).
- Возникновение функционально активной 70S рибосомы а результате присоединения 50S-рибосомной субчастицы к ранее образовавшейся комплексной структуре.
Третья стадия – приготовление инициирующего комплекса к продолжению процесса трансляции.
3 этап – Элонгация. На этой стадии происходит синтез полипептидной цепи.
Компоненты:
- Инициирующий комплекс – 70S рибосома.
- Набор аминоацил-т-РНК
- Фактор элонгации, цианозинтрифосфат (ГТФ)
- Пептидилтрансфераза, ионы Мg²+
Элонгация – это циклический процесс. Стадии элонгации:
- 1 стадия – образование аминоацил-т-РНК, которая является комплементарным кодон-антикодоновым взаимодействием, а также специфической связью между участками молекул т-РНК и р-РНК.
- 2 стадия - подготовка для вступления остатков аминокислот в реакцию образования пептидной связи.
- 3 стадия (транслокация) – это перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один кодон. На образование однопептидной связи затрачивается энергия гидролиза 2-х молекул ГТФ.
На третьей стадии:
- Свободная т-РНК отделяется и уходит в цитоплазму.
- В дальнейшем аминоацильный участок вновь подготовлен для связывания очередной аминоацил-т-РНК, антикодон который комплементарен следующему кодону и-РНК – начинается новый цикл элонгации.
4 этап – Терминация.
Компоненты:
АТФ Терминирующий кодон и-РНК.
Факторы освобождения полипептида:
- Рост полипептидной цепи продолжается, пока один из 3-х терминирующих кодонов (УАА, УГА, УАГ) не поступит в рибосому. В этом случае кодон-антикодо-нового взаимодействия не происходит.
- К терминирующему кодону присоединяется ответственный за терминацию фактор, в результате прекращается дальнейший рост белковой цепи.
- Синтезируемый белок, и-РНК и т-РНК определяются от рибосомы.
- И0РНК распадается до свободных рибонуклеидов, а т-РНК и рибосомы, распавшись на две субъединицы, участвуют в новых циклах трансляции.
5 этап – Процессинг
Компоненты:
- Специфические ферменты
- Кофакторы
Образующиеся полипептидные цепи формируют более сложные белки или управляют процессами метаболизма в качестве ферментов.
На одной молекуле и-РНК работает несколько и более (до 100) рибосом. Они образуют полисому, и на каждой рибосоме строится своя полипептидная цепь (в биосинтезе гемоглобина участвуют полсомы из 5-6 рибосом).
Отличие биосинтеза белка
- У прокариот – транскрипция и трансляция связаны между собой и синтез белка начинается сразу же на продолжающей синтезироваться молекуле и-РНК.
- У эукариот – сначала на ДНК синтезируется и-РНК, затем она созревает и только зрелая участвует в трансляции.