5.20. Транскрипция
Транскрипция - синтез молекул РНК на основании информации, записанной в ДНК. Осуществляется в ядрах при участии ДНК-зависимых РНК-полимераз, существующих в типах I, II и III (в порядке выхода в гель-хроматографии).
РНК-полимеразы I синтезируют рибосомальные РНК.
РНК-полимеразы II синтезируют матричные и вирусные РНК.
РНК-полимеразы III синтезируют транспортные РНК.
В процессе транскрипции копируется не вся информация с ДНК, а только выборочная, часто отрезками. Сигналом для присоединения полимеразы служат так называемые промотеры, в районе которого (35 нуклеотидных пар до и 10 пар после него) и присоединяется РНК-полимераза. Происходит разделение цепей ДНК и начинается синтез молекулы РНК в направлении 5'-3', только на одной из цепей. При этом по месту тимидиновых нуклеотидов комплементарной цепи встают уридиловые нуклеотиды. Весь комплекс передвигается по молекуле ДНК, пока не будет закончен синтез требуемого участка РНК. ДНК с "отсканированной" информацией репарирует, ассоциируя в двухнитевые молекулы (смотри рисунок ниже).
РНК-полимераза II очень чувствительна к некоторым соединениям, изменяющим ее активность. Так, сродство к альфа-аманитину (компонент грибного яда) составляет KL = 10-8–10-9M. Таким образом, аманитин является сильнейшим ингибитором РНК-полимеразы II, в результате при отравлении белой поганкой (достаточно 0,5 г сырого гриба) вначале развивается расстройство желудочно-кишечного тракта, а через 48 часов наступает смерть в результате тяжелого поражения печени, вследствие прекращения синтеза требуемых белков (нет РНК). Терапия при этой патологии отсутствует, за исключением пересадки печени.
Возбудитель туберкулеза Micobacterium tuberculosis (точнее, его РНК-полимераза) весьма чувствителен к антибиотику рифампицину, в то время как человеческая РНК-полимераза к нему мало чувствительна. На этом свойстве рифампицина основано его использование в терапии туберкулеза.
Молекулы РНК очень часто претерпевают посттранскрипционную модификацию, заключающуюся в удалении участков построенной цепи. Наглядно это можно проследить на примере синтеза молекулы транспортной РНК:
5.21. Синтез белка
Участие ДНК и РНК в синтезе белков – одна из основных функций нуклеиновых кислот. Белки – важнейшие компоненты каждого живого организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор – взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.
Основная задача ДНК – хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК. Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную информацию неприкосновенной.
На первой стадии часть двойной спирали раскрывается, освободившиеся ветви расходятся, и на группах А, Т, Г и Ц, оказавшихся доступными, начинается синтез РНК, называемой матричной РНК, поскольку она как копия с матрицы точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК. Напротив группы А, принадлежащей молекуле ДНК, располагается фрагмент будущей матричной РНК, содержащий группу У, все остальные группы располагаются друг напротив друга в точном соответствии с тем, как это происходит при образовании двойной спирали ДНК.
По указанной схеме образуются полимерная молекула матричной РНК, содержащая несколько тысяч мономерных звеньев. На втором этапе матричная ДНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму. К полученной матричной РНК подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты. Каждая транспортная РНК, нагруженная определенной аминокислотой, приближается к строго обусловленному участку матричной РНК, нужное место обнаруживается с помощью все того же принципа взаимосоответствия групп А-У, и Г-Ц. В конечном итоге две аминокислоты, оказавшиеся рядом, взаимодействуют между собой, так начинается сборка будущей белковой молекулы.
Важная деталь состоит в том, что временное взаимодействие матричной и транспортной РНК проходит всего по трем группам, например, к триаде Ц-Ц-У матричной кислоты может подойти только соответствующая ей тройка Г-Г-А транспортной РНК, которая непременно несет с собой аминокислоту глицин. Точно также к триаде Г-А-У может приблизиться лишь набор Ц-У-А, транспортирующий только аминокислоту лейцин. Таким образом, последовательность групп в матричной РНК указывает, в каком порядке должны соединяться аминокислоты. Кроме того, система содержит в закодированном виде дополнительные регулирующие правила, некоторые последовательности из трех групп матричной РНК указывает на то, что в этом месте синтез белка должен остановиться, т.е. молекула достигла необходимой длины. Показанный на рис. 10 синтез белка проходит с участием еще одного – третьего вида РНК, они входят в состав рибосом и потому их называют рибосомными. Рибосома, представляющая собой ансамбль определенных белков рибосомных РНК, обеспечивает взаимодействие матричной и транспортной РНК, играя роль конвейерной ленты, которая передвигает матричную РНК на один шаг после того, как произошло соединение двух аминокислот.
Основной смысл двух стадийной схемы состоит в том, что полимерная цепь белковой молекулы собирается из различных аминокислот в намеченном порядке и строго по тому плану, который был записан в закодированном виде на определенном участке ДНК. Таким образом, ДНК представляет собой отправную точку всего этого запрограммированного процесса. В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, и потому они регулярно воспроизводятся по описанной схеме, весь синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, проходит в живом организме приблизительно в течение одной минуты.