Посттранскрипционная модификация РНК

В результате транскрипции образуются три типа предшественников РНК (первичные транскрипты): предшественник мРНК, или гетерогенная ядерная РНК (пре-мРНК или гяРНК), предшественники рРНК (прерРНК), содержащие 5, 8S РНК, 18S РНК и 28S РНК у эукариот и, соответственно 5S, 16S РНК и 23S РНК у прокариот, предшественники тРНК (пре-тРНК). Они представляют собой копию оперона и содержат информативные и неинформативные последовательности. Образование функционально активных молекул РНК называется процессингом и продолжается после завершения транскрипции.

Процессинг включает в себя: вырезание неинформативных участков, сшивание информативных участков (сплайсинг) и модификацию 5′ и 3′ -концов РНК.

1. Вырезание неинформативных участков пре-мРНК происходит с помощью рибонуклеаз и/или рибозимов (содержат РНК, обладающие ферментативной активностью). При вырезании интронов важную роль играют малые ядерные РНК (мяРНК), нуклеотидные последовательности которых комплементарны последовательностям на концах каждого из интронов. В результате спаривания оснований, содержащихся в мяРНК и на концах свернутого в петлю интрона, два экзона сближаются, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются лигазой. Таким образом, молекулы мяРНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов для того, чтобы сплайсинг произошел в правильном месте.

2. Далее в ядре происходит модификация 5′ и 3′ -концов мРНК. К 5′ -концу мРНК присоединяется олигонуклеотид, называемый «кэпом» (cap) или колпачком, состоящий из 2-3 метилированных нуклеотидов, причем концевым является 7-метилгуанозин. Эти «колпачки» способствуют стабилизации мРНК, защищая 5′ -концы от разрушения фосфатазами и нуклеазами, а также связываются со специфическим белком и могут участвовать в связывании мРНК с рибосомой для инициации трансляции.

К 3′ -концу фермент поли-А-полимераза присоединяет полиадениловую последовательность (поли-А), состоящую из 50-200 нуклеотидов. Функция полиаденолового «хвоста» мРНК неизвестна. Предполагается, что он также защищает мРНК от ферментативного разрушения. Затем мРНК связывается с белком информофером и транспортируется в цитоплазму к рибосомам.

3. В клетках прокариот и эукариот молекулы рРНК транскрибируются в виде большого общего первичного транскрипта (пре-рРНК). Процессинг рибосомных РНК происходит в ядрышке, где локализованы гены рибосомных РНК. У бактерий 16S, 23S и 5S рРНК образуются из 30S предшественника; у эукариот из 45S пре-рРНК синтезируются 18S, 28S и 5, 8S рРНК. Синтезированная пре-рРНК (45S) подвергается ферментативной модификации и расщеплению и дает зрелые 18S, 5, 8S и 28S-рРНК. Вначале примерно 100 нуклеотидов метилируется по 2′ -гидроксильной группе рибозных остатков, более 100 остатков уридина изомеризуются в остатки псевдоуридина. Метилирование идет только на участках, формирующих в дальнейшем зрелые молекулы рРНК. Затем 45S-предшественник подвергается нуклеолитическому процессингу. В ходе процессинга РНК в ядрышках происходит дальнейшее метилирование. 5, 8S-рРНК и 28S-рРНК, связываясь с рибосомными белками в ядрышках, формирует большую 60S-субъединицу рибосомы. Молекула 18S-рРНК в комплексе с соответствующими полипептидами образует малую субъединицу рибосомы. 5S РНК синтезируется отдельно.

4. Молекулы тРНКпервоначально транскрибируются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы тРНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу при действии специфических рибонуклеаз. Дальнейшие модификации молекул тРНК включают алкилирование нуклеотидов и присоединение характерного ЦЦА-триплета к 3′ -концу молекулы (акцепторный участок), к которому будет присоединяться соответствующая аминокислота. Метилирование предщественников тРНК млекопитающих происходит, вероятно, в ядре, в расщепление и присоединение ЦЦА-триплета – в цитоплазме.

Обратная транскрипция

Некоторые РНК-содержащие вирусы (ретровирусы), которые инфицируют животных, имеют Zn²⁺-содержащий фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, часто называемой обратной транскриптазой или ревертазой. Существование обратных транскриптаз в РНК-содержащих онкогенных вирусах было предсказано еще в 1962 г. Говардом Теминым и Дэвидом Балтимором. Обратной транскриптазе приписывают 3 вида ферментативной активности: 1) РНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит по матрице РНК дочернюю цепь ДНК); 2) рибонуклеазной (обеспечивает удаление цепи РНК); 3) ДНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит на матрице комплементарной ДНК вторую цепь ДНК).

Обратная транскриптаза не обладает 3’→ 5’ экзонуклеазной активностью и поэтому частота ошибок синтеза составляет 1 на 20 000 нуклеотидов, что является необычно высокой для синтеза ДНК и является характерным для большинства ферментов, реплицирующих геном вируса. Следствием этого является быстрая скорость эволюции вирусов, что может быть фактором появление новых признаков заболеваний, вызываемых ретровирусами. В результате этого этапа образуется гибридная молекула РНК-ДНК. На втором этапе происходит разрушение исходной вирусной РНК из комплекса гибридной молекулы под действием обратной транскриптазы. Наконец, на третьем этапе на матрице цепи ДНК комплементарно синтезируются новые цепи ДНК.

В результате образуется ДНК, которые содержит гены, обусловливающие рак; эта ДНК часто встраивается в геном эукариотической клетки хозяина, где она может в течение многих поколений оставаться в скрытом, т.е. неэкспрессируемом состоянии. При определенных условиях такие бездействующие вирусные гены (онкогены) могут активироваться и вызывать репликацию вируса; при других же условиях они могут способствовать превращению такой клетки в раковую.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА (трансляция)

Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, передается на РНК:

ДНК- нематричная цепь (кодирующая, или смысловая) 5′ -ГГАТГЦАТ-3′

ДНК- матричная цепь (некодирующая, несмысловая) 3′ -ЦЦТАЦГТА-5′

Цепь мРНК 5′ -ГГАУГЦАУ-3′

У вирусов часто матричную цепь называют (-)-цепью, а нематричную (+)-цепью.

Биосинтез полипептида или белка на матрице РНК называется трансляцией.

Строение рибосом

Внутриклеточный компонент, в котором сходятся и взаимодействуют все элементы механизма трансляции белка, называется рибосомой. Несколько рибосом могут одновременно транслировать одну и ту же цепь мРНК, образуя полисомы (полирибосомы). Шероховатый эндоплазматический ретикулум – это компартмент клетки, в котором мембраносвязанные полисомы продуцируют как мембранные белки, так и белки, подлежащие транспорту и экскреции. Рибосомы эукариот в 2 раза больше рибосом прокариот.

Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков в соотношении 1: 1 у 80S рибосом эукариот и 2: 1 у 70S рибосом прокариот. Рибосомные РНК синтезируются в ядрышке, белки образуются в цитоплазме и переносятся в ядрышко. Здесь спонтанно образуются рибосомные субчастицы путем объединения белков с соответствующими рРНК. Рибосомы состоят из 2-х субъединиц. Большая (50S у прокариот и 60S у эукариот) и малая (30S у прокариот и 40S у эукариот) субъединицы рибосом через поры ядерной оболочки переносятся в цитозоль. Большая субъединица рибосом эукариотической клетки содержит 41 белок, 5S, 5, 8S и 28S рРНК, малая субъединица – 30 белков и 18S рРНК. Согласно представлениям Дж. Уотсона существует «рибосомный цикл»: в начале синтеза полипептидной цепи субъединицы рибосом объединяются в функционирующую рибосому на мРНК для осуществления трансляции, а в конце синтеза диссоциируют.

Генетический код

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана на мРНК в виде трехбуквенного нуклеотидного кода.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность– каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (кодоном).

2. Вырожденность (избыточность) – каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами. Последовательность первых двух нуклеотидов определяет в основном специфичность каждого кодона, третий нуклеотид имеет меньшее значение. Данное свойство повышает устойчивость генетической информации к воздействию неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды.

3. Специфичность – каждому кодону соответствует только 1 аминокислота.

4. Неперекрываемость – нуклеотид, входящий в состав одного триплета не может входить в состав соседнего.

5. Однонаправленность – считывание информации идет в направлении 5’®3’.

6. Коллинеарность – соответствие последовательности аминокислот в белке последовательности триплетов в мРНК.

7. Универсальность – соответствие аминокислот триплетному коду у всех живых организмов.

Среди 64 триплетов мРНК выделяют 3 типа: 1) инициирующий – АУГ: кодирует включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот, если стоит вначале мРНК, и определяет стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы; если находится в середине – то является смысловым; 2) смысловые кодоны – кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь; 3) терминирующие кодоны не кодируют включение аминокислот, это нонсенс-кодоны, которые определяют завершение (терминацию) синтеза полипетидной цепи.

Биосинтез белка

В процессе биосинтеза белка выделяют 5 основных стадий.

9.6.3.1. Стадия 1 - активация аминокислот. Этот процесс протекает в цитозоле, а не в рибосоме. Каждая из 20 аминокислот ковалентно присоединяется к определенной тРНК, используя для этого энергию АТФ. Значение стадии: 1) активация СООН-группы аминокислоты, которая может участвовать в образовании пептидной связи; 2) аминокислоты сами не могут узнавать кодоны мРНК, а переносятся к рибосомам тРНК, которые посредством специфических антикодонов узнают кодоны мРНК и выполняют, таким образом, роль адапторных молекул.

Необходимые компоненты:

1)20 аминокислот; 10 аминокислот являются незаменимыми и должны поступать с пищей; если отсутствует хотя бы одна аминокислота, процесс биосинтеза белка прекращается;

2) ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы;

3) тРНК;

4) АТФ;

5) Mg²⁺.

Активация аминокислот и их присоединение к тРНК осуществляется специфическими аминоацил-тРНК-синтетазами, которые называют активирующими ферментами.

Общий вид катализируемой реакции может быть выражен уравнением:

Аминокислота + тРНК +АТФ+ Mg²⁺® Аминоацил-тРНК + АМФ + РРн

Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза обладает специфичностью к аминокислоте и к тРНК. Фермент имеет 4 центра связывания: 1) для тРНК; 2) для АТФ; 3) для аминокислоты; 4) для воды. Гидролитическая активность фермента необходима для удаления «неправильной» аминокислоты с последующим присоединением «правильной» аминокислоты к тРНК. Аминокислоты, для которых имеется две и более тРНК, активируются обычно одним ферментом.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: