Молекулярная генетика и биосинтез белка

Транскрипция: переписывание кода

Первый этап биосинтеза заключается в синтезе молекулы незрелой информационной РНК на матрице ДНК. Главным катализатором выступает фермент РНК-полимераза. У эукариотических организмов функции разделены: полимераза I синтезирует рибосомные РНК, полимераза II — информационные, а полимераза III — транспортные.

Процесс включает три последовательные стадии:

1. Инициация. Фермент распознает стартовую площадку на ДНК — промотор — и прочно связывается с ней.
2. Элонгация. Двойная спираль ДНК локально раскручивается. РНК-полимераза движется в направлении 5' → 3' и достраивает цепь РНК, подбирая нуклеотиды строго по принципу комплементарности.
3. Терминация. Синтез продолжается до тех пор, пока фермент не достигнет специального стоп-сигнала. После этого новосинтезированная цепь отделяется.

Процессинг РНК у эукариот

В отличие от бактерий, у ядерных организмов транскрипция протекает в ядре, и образовавшаяся РНК является незрелой. Ей требуется доработка — процессинг. Он включает три ключевых модификации:

• Кэпирование. К 5'-концу молекулы добавляется 7-метилгуанозин. Этот «кэп» защищает РНК от деградации и позже помогает рибосоме правильно начать трансляцию.
• Полиаденилирование. На 3'-конце формируется длинный поли-А «хвост», обеспечивающий структурную стабильность молекулы.
• Сплайсинг. Так как эукариотические гены прерывисты, особые комплексы (сплайсосомы, в состав которых входят малые ядерные РНК) вырезают некодирующие фрагменты (интроны) и сшивают информативные (экзоны).

Важнейшее значение имеет альтернативный сплайсинг: комбинируя экзоны по-разному, организм может синтезировать несколько различных белков на основе одного и того же гена. Зрелая мРНК выходит в цитоплазму через ядерные поры.

Трансляция: сборка полипептида

Финальный этап перевода нуклеотидного текста в аминокислотный протекает на рибосомах. Для работы требуются матричная РНК, транспортные РНК (несущие аминокислоты и имеющие антикодоны), аминоацил-тРНК-синтетазы и источники энергии (АТФ и ГТФ).

Этапы трансляции:

1. Инициация. Малая субъединица рибосомы связывается с мРНК. Стартовый кодон АУГ попадает в П-центр (пептидильный). Инициаторная тРНК приносит первую аминокислоту — метионин, после чего присоединяется большая субъединица рибосомы.
2. Элонгация. В свободный А-центр (аминоацильный) поступают новые транспортные РНК с аминокислотами. Между соседними аминокислотами образуются пептидные связи. Рибосома делает шаг, и цикл многократно повторяется.
3. Терминация. Синтез обрывается, когда в А-центр заходит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). Комплекс распадается, высвобождая готовый белок.

Регуляция экспрессии генов

Механизмы управления активностью генов зависят от типа организации клетки.

У прокариот регуляция часто базируется на модели оперона — группы генов, подчиненных одному промотору и оператору.

• Лактозный оперон (индукция): в отсутствие лактозы специальный белок-репрессор блокирует оператор, и транскрипция не идет. Появление лактозы (индуктора) связывает репрессор, освобождая путь для РНК-полимеразы.
• Триптофановый оперон (репрессия): избыток конечного продукта (триптофана) сам активирует репрессор, выключая дальнейший синтез ферментов.

У эукариот контроль многоуровневый: от конденсации хроматина и влияния энхансеров до процессинга. Огромную роль играет эпигенетика — наследуемые изменения экспрессии без изменения кода ДНК. К таким механизмам относятся метилирование ДНК (обычно подавляет гены), модификация гистонов (например, ацетилирование активирует считывание) и РНК-интерференция.

Что ещё разобрать по теме

• Альтернативный сплайсинг и разнообразие белков
• Строение и функции транспортных РНК
• Механизм работы сплайсосомы и малых ядерных РНК
• Модель регуляции триптофанового оперона
• Модификации гистонов: ацетилирование и метилирование

Другие темы раздела «Медицинская генетика»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.