Что такое биосинтез белка в клетке

Определение Messenger RNA

Рибонуклеиновые кислоты-мессенджеры (мРНК) передают информацию от ДНК к клеточному механизму, который производит белки. Плотно упакованное в каждое ядро ​​клетки диаметром всего 10 микрон представляет собой «руководство по эксплуатации» двухцепочечной ДНК длиной в три метра о том, как построить и поддерживать человеческое тело. Для того чтобы каждая клетка поддерживала свою структуру и выполняла все свои функции, она должна непрерывно производить специфические части клеточного типа (белки). Внутри каждого ядра мультисубъединичный белок, называемый РНК-полимеразой II (RNAP II), считывает ДНК и одновременно создает «сообщение» или транскрипт, который называется мессенджер РНК (мРНК), в процессе, называемом транскрипцией. Молекулы мРНК состоят из относительно коротких, одиночных цепочек молекул, состоящих из оснований аденина, цитозина, гуанина и урацила, удерживаемых вместе с помощью фосфатного остова сахара. Когда РНК-полимераза заканчивает считывание фрагмента ДНК, пре-мРНК-копия обрабатывается с образованием зрелой мРНК, а затем переносится из ядра клетки. Рибосомы читают мРНК и переводят сообщение в функциональные белки в процессе, называемом трансляцией. В зависимости от структуры и функции вновь синтезированного белка, он будет дополнительно изменяться клеткой, экспортироваться во внеклеточное пространство или оставаться внутри клетки. Диаграмма ниже показывает транскрипцию (ДНК-> РНК), происходящую в клеточное ядро где RNAP РНК-полимераза II фермент, синтезирующий РНК.

Предшественник мРНК содержит интроны и экзоны. Интроны удаляются раньше перевод, в то время как экзоны кодируют аминокислотную последовательность белков. Чтобы сделать зрелую мРНК, клетка машинное оборудование удаляет «нетранслируемые» интроны из пре-мРНК, оставляя только трансляционные экзон последовательности в мРНК.

Особенности строения и функционирования мРНК у прокариот

У прокариот процессы транскрипции и трансляции проходят одновременно, поэтому матричная РНК имеет только первичную структуру. Так же как и у эукариот, она представлена линейной последовательностью рибонуклеотидов, которая содержит информационные и некодирующие участки.

Большинство мРНК бактерий и архей полицистронны (содержат несколько кодирующих областей), что обусловлено особенностью организации прокариотического генома, который имеет оперонную структуру. Это означает, что в одном транскриптоне ДНК закодирована информация о нескольких белках, которая впоследствии переносится на РНК. Небольшая часть информационной РНК является моноцистронной.

Нетранслируемые области бактериальной мРНК представлены:

• лидерной последовательностью (расположена на 5`-конце);
• трейлерной (или концевой) последовательностью (находится на 3`-конце);
• нетранслируемыми межцистронными областями (спейсерами)- находятся между кодирующими участками полицистронной РНК.

Длина межцистронных последовательностей может состоять от 1-2 до 30 нуклеотидов.

Измерение и обнаружение

Электронная микрофотография транскрипции рибосомальной РНК. Формующие рибосомных РНК нити видны как ветви от главной цепи ДНК.

Транскрипцию можно измерить и обнаружить разными способами:

• Анализ транскрипции кассеты G-Less : измерение силы промотора
• Анализ текущей транскрипции : определяет сайты начала транскрипции (TSS)
• Ядерный анализ: измеряет относительное количество вновь образованных транскриптов.
• KAS-seq : измеряет одноцепочечную ДНК, генерируемую РНК-полимеразами; может работать с 1000 ячеек.
• Анализ на защиту от РНКазы и ЧИП-Чип из РНКПА : обнаружение активных центров транскрипции
• ОТ-ПЦР : измеряет абсолютное содержание общей или ядерной РНК, которое, однако, может отличаться от скорости транскрипции.
• ДНК-микрочипы : измеряет относительное содержание глобальных уровней общей или ядерной РНК; однако они могут отличаться от показателей транскрипции.
• Гибридизация in situ : обнаруживает наличие транскрипта
• Мечение MS2 : путем включения в ген петель ствола РНК , такой как MS2, они включаются во вновь синтезированную РНК. Затем стволовые петли могут быть обнаружены с помощью слияния GFP и белка оболочки MS2, который имеет высокое сродство, специфичное для последовательности взаимодействие со стволовыми петлями MS2. Рекрутирование GFP в сайт транскрипции визуализируется как единое флуоресцентное пятно. Этот новый подход показал, что транскрипция происходит прерывистыми пакетами или импульсами (см. Транскрипционный пакет ). За заметным исключением методов in situ, большинство других методов обеспечивают средние значения клеточной популяции и не способны обнаружить это фундаментальное свойство генов.
• Нозерн-блоттинг : традиционный метод и до появления RNA-Seq наиболее количественный
• RNA-Seq : применяет методы секвенирования следующего поколения для секвенирования полных транскриптомов , что позволяет измерять относительное количество РНК, а также обнаруживать дополнительные вариации, такие как гены слияния, посттранскрипционные правки и новые сайты сплайсинга.
• Одноклеточная RNA-Seq : амплифицирует и считывает частичные транскриптомы из изолированных клеток, что позволяет проводить подробный анализ РНК в тканях, эмбрионах и раковых опухолях.

викторина

1. Молекулы зрелой мРНК короткие, одноцепочечные и содержат следующие компоненты:A. аденин, цитозин, гуанин и урацил, экзоны, 5′-колпачок и 3′-полихвостB. аденин, цитозин, гуанин и урацил, интроны, экзоны, 5′-колпачок и 3′-полихвостC. аденин, цитозин, гуанин и урацил, интроныD. интроны, 5′-кепка и 3′-поли-хвост

Ответ на вопрос № 1

верно. Молекула мРНК представляет собой короткую одноцепочечную молекулу, содержащую аденин, цитозин, гуанин и урацил, экзоны, 5′-колпачок и 3′-полихвост. Интроны были сплайсированы автоматически самой мРНК или сплайсосомой.

2. Назовите местоположение и клеточный механизм, участвующий в транскрипции и трансляции мРНК.A. Транскрипция происходит в ядре под действием рибосом; трансляция происходит в цитоплазме через RNAP II.B. Транскрипция происходит в ядре под действием RNAP II; трансляция происходит в цитоплазме или на эндоплазматическом ретикулуме под действием рибосомы.C. Транскрипция происходит на клеточная мембрана благодаря действиям RNAP II; трансляция происходит в цитоплазме под действием факторов трансляции.D. Ничто из вышеперечисленного не является правильным.

Ответ на вопрос № 2

В верно. Молекула мРНК транскрибируется в ядре ферментом RNAP II и транслируется рибосомой, которая находится в цитоплазме или эндоплазматической сети клетки.

3. Какие из следующих утверждений верны в отношении различий между эукариотической и прокариотической мРНК?A. В отличие от эукариот, которые транскрибируют в ядре и транслируют в цитоплазме, прокариоты транскрибируют и транслируют мРНК одновременно в цитоплазме.B. Прокариот мРНК является преимущественно полицистронной, а эукариотическая мРНК – преимущественно моноцистронной.C. Бактериальные мРНК являются короткоживущими для обеспечения гибкости в быстро меняющихся условиях, в то время как эукариотические мРНК стабильны в течение нескольких дней.D. Все вышеперечисленное верно.

Ответ на вопрос № 3

D верно. Все вышеприведенные утверждения верны.

4

Что происходит во время важного этапа процессинга пре-мРНК в мРНК?A. Некодирующие интроны удаляются или «сращиваются».B

МРНК переводится в белок.C. Пре-мРНК экспортируется из ядра.D. Все вышеперечисленное.

Ответ на вопрос № 4

верно. Некодирующие интроны удаляются из пре-мРНК в ядре. После обработки мРНК с присоединенным 5′-колпачком и 3′-поли-А хвостом экспортируется через ядерные поры и доставляется в рибосомы, где происходит трансляция.

Эукариотическая мРНК

Эукариотическая мРНК всегда моноцистронна и содержит более сложный набор некодирующих областей, которые включают:

• кэп;
• 5`-нетранслируемую область (5`НТО);
• 3`-нетранслируемую область (3`НТО);
• полиадениловый хвост.

Обобщенную структуру матричной РНК у эукариот можно представить в виде схемы со следующей последовательностью элементов: кэп, 5`-НТО, AUG, транслируемая область, стоп-кодон, 3`НТО, поли-А-хвост.

У эукариот процессы транскрипции и трансляции разобщены и во времени и в пространстве. Кэп и полиадениловый хвост матричная РНК приобретает во время созревания, которое называется процессингом, а затем транспортируется из ядра в цитоплазму, где сосредоточены рибосомы. В ходе процессинга также вырезаются интроны, которые переносятся на РНК с эукариотического генома.

МРНК прокариот против vs. эукариот

Поликастронные прокариотические мРНК содержат несколько сайтов для инициирования и прекращения синтеза белка. У эукариот есть только один сайт для инициации трансляции, а эукариотические мРНК в основном моноцистронны. Прокариотам не хватает органелл и четко определенной ядерной оболочки, и, следовательно, трансляция мРНК может быть связана с мРНК. транскрипция в цитоплазма, У эукариот мРНК транскрибируется на хромосомах в ядре и после обработки переносится через ядерные поры в цитоплазму. В отличие от прокариот, трансляция у эукариот происходит только после завершения транскрипции. Прокариотическая мРНК постоянно разрушается рибонуклеазами, ферментами, которые расщепляют РНК. Например, период полураспада мРНК в E. Coli составляет примерно две минуты. Бактериальные мРНК являются короткоживущими, чтобы обеспечить гибкость в адаптации к быстро меняющимся условиям окружающей среды. Эукариотические мРНК более метаболически стабильны. Например, предшественники млекопитающих красные кровь клетки (ретикулоциты), которые потеряли свои ядра, синтезируют гемоглобин в течение нескольких дней путем трансляции мРНК, которые были транскрибированы, когда ядро ​​еще присутствовало. Наконец, мРНК прокариот подвергаются минимальной обработке. У эукариот пре-мРНК должна подвергаться обработке перед трансляцией, включая удаление интронов, добавление 5′-колпачка, а также 3′-полиаденилированного хвоста до образования зрелой мРНК и готовности к трансляции.

История исследования вопроса

Начало изучению нуклеиновых кислот было положено ещё в середине XIX века швейцарским учёным, обнаружившим эти вещества в клеточном ядре. Он назвал их нуклеином. Наличие этих веществ в прокариотических бактериальных клетках, не содержащих ядра, было доказано несколько позднее.

Предположение о роли РНК, которую она играет в биосинтезе белковых молекул, было сделано в 1939 году. В ходе эксперимента было продемонстрировано, что РНК, кодирующая структуру гемоглобина кролика, при введении в другую клетку заставляет её синтезировать тот же самый белок. Описанный опыт наглядно продемонстрировал роль этого вещества в живом организме. Параллельно с этим ещё одно исследование показало, что клетки, активно синтезирующие белковые вещества, содержат большее количество РНК, по сравнению с другими клеточными структурами.

Механизм синтеза самой рибонуклеиновой кислоты был открыт в середине XX века, за что в 1959 году была выдана Нобелевская премия по медицине. Ещё одна аналогичная награда в этой области была выдана в связи с расшифровкой последовательности цепи из 77 нуклеотидов транспортной РНК одного из видов дрожжевых грибков.

По мнению некоторых учёных, функция РНК процессе эволюции претерпела некоторые изменения. В частности, учёный Карл Везе в 1967 году выдвинул теорию так называемого «РНК мира». Согласно его предположениям, в прокариотических организмах эта нуклеиновая кислота выполняла следующие функции:

• Шифрование, хранение и передача информации, в частности, генетической информации клетки. Сейчас, после определённых изменений, которые произошли в ходе эволюции, эту функцию стала выполнять дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
• Участие в ряде метаболических процессов, которое проявляется в их ускорении (каталитическая активность). В сегодняшнем мире эта функция принадлежит ферментам — специализированным веществам, имеющим белковую природу.

Открытие нуклеиновых кислот и успехи в исследовании их свойств и других характеристик дали мощный толчок в развитии молекулярной биологии. С этого момента и берёт начало исследование механизмов передачи информации как внутри клеток, так и между ними. Полученные экспериментально данные объясняют в том числе и механизм наследования некоторых признаков (один из основных принципов теории эволюции — наследственность).

Перевод мРНК

мРНК может транслироваться на свободных рибосомах в цитоплазме с помощью молекул переноса РНК (тРНК) и множества белков, называемых факторами инициации, удлинения и терминации. Белки, которые синтезируются на свободных рибосомах в цитоплазме, часто используются клеткой в ​​самой цитоплазме или предназначены для использования внутри внутриклеточных органелл. Альтернативно, белки, которые должны секретироваться, начинают транслироваться в цитоплазме, но как только первые несколько остатков транслируются, специфические белки транспортируют весь механизм трансляции в мембрану эндоплазматическая сеть (ЭР). Первые несколько аминокислот внедряются в мембрану ER, а остальная часть белка высвобождается во внутреннее пространство ER. Короткая последовательность удаляется из белков, которые должны секретироваться из клетки, тогда как те, которые предназначены для внутренних мембран, сохраняют этот короткий участок, обеспечивая мембранный якорь.

Более 200 заболеваний связаны с дефектами в процессинг пре-мРНК в мРНК. Мутации в ДНК или механизме сплайсинга в основном влияют на точность сплайсинга пре-мРНК. Например, аномальная последовательность ДНК может устранять, ослаблять или активировать скрытые сайты сплайсинга в пре-мРНК. Аналогично, если механизм сплайсинга не работает должным образом, сплайсосома может неправильно разрезать пре-мРНК независимо от последовательности. Эти мутации приводят к процессингу pre-mMRA в мРНК, которые будут кодировать неисправные белки. Сами аномальные мРНК также иногда являются мишенями для нонсенс-опосредованного распада мРНК, а также ко-транскрипционной деградации зарождающихся пре-мРНК. Клетки, полученные от пациентов с различными заболеваниями, включая прогерию, рак молочной железы и муковисцидоз, имеют дефекты сплайсинга РНК, причем наиболее распространенными являются рак и невропатологические заболевания.

• рибосома – Рибосомы – это ферменты, состоящие из многих белков, которые катализируют синтез белков из мРНК в процессе трансляции. Рибосомы свободно существуют в цитоплазме клетки или остаются прикрепленными к эндоплазматической сети.
• RNAP II – РНК-полимераза II – это фермент, состоящий из многих белков, который читает ДНК и синтезирует РНК в ядре клетки в процессе, называемом транскрипцией.
• транскрипция – Транскрипция – это синтез РНК из ДНК с помощью РНК-полимеразы.
• Перевод – Трансляция – это синтез белков из мРНК с участием рибосом и других белков.

Типы РНК

В зависимости от функций, выполняемых в организме, принято выделять несколько типов рибонуклеиновой кислоты. Каждый из них имеет своё специальное обозначение.

Различные типы этого вещества и соответствующие функции РНК для наглядности можно представить в виде таблицы:

Указанные в таблице типы РНК являются основными. Кроме них существуют и другие разновидности этого вещества. Все они в совокупности составляют единую систему, значение которой крайне велико: она направлена на считывание и воспроизведение наследственной информации через синтез белковых структур.

Существует ещё одна классификации РНК; согласно ей, выделяют следующие разновидности:

• Ядерная. Рапространение — ядро эукариотических клеток. Молекула собирается полимеразой 2 или 3 типов. После сборки выходит в цитоплазму клетки, где происходит созревание; потом возвращается в ядро. Участвует в процессе созревания матричной РНК. В цепи такой нуклеиновой кислоты находится много уридиновых нуклеотидов. Имеется и малый (ядрышковый) подтип.
• Цитоплазматическая. Находится под влиянием ядерной разновидности нуклеиновой кислоты. Функция — участие в антителообразовании в зрелых плазматических клетках.
• Митохондриальная. В отличие от ядерной, располагается в митохондриях.
• Пластидная. Кодирует гены, обеспечивающие процессы транскрипции и трансляции.

Фон

Единица транскрипции ДНК, кодирующая белок, может содержать как кодирующую последовательность , которая будет транслироваться в белок, так и регуляторные последовательности , которые направляют и регулируют синтез этого белка. Регуляторная последовательность перед кодирующей последовательностью (« перед ней ») называется пятью первичными нетранслируемыми областями (5’UTR); последовательность после (« нисходящая » от) кодирующей последовательности называется тремя первичными нетранслируемыми областями (3’UTR).

В отличие от репликации ДНК , транскрипция приводит к комплементу РНК, который включает нуклеотид урацил (U) во всех случаях, когда тимин (T) мог бы присутствовать в комплементе ДНК.

Только одна из двух цепей ДНК служит шаблоном для транскрипции. Антисмысловая цепь ДНК считывается РНК — полимеразы от конца к 5′ — концу 3′ в процессе транскрипции (3′ → 5′ ). Комплементарная РНК создается в противоположном направлении, в направлении 5 ‘→ 3′, что соответствует последовательности смысловой цепи, за исключением замены урацила на тимин. Эта направленность обусловлена ​​тем, что РНК-полимераза может добавлять нуклеотиды только к 3’-концу растущей цепи мРНК. Такое использование только 3 ‘→ 5’ цепи ДНК устраняет необходимость во фрагментах Окадзаки , которые наблюдаются при репликации ДНК. Это также устраняет необходимость в праймере РНК для инициации синтеза РНК, как в случае репликации ДНК.

Не -template (смысловой) цепь ДНК называется кодирующей нити , так как ее последовательность является такой же , как вновь созданной РНК — транскрипта (для замещения урацила тимин за исключением). Это нить, которая используется по соглашению при представлении последовательности ДНК.

Транскрипция имеет некоторые механизмы корректуры, но они менее эффективны и менее эффективны, чем средства контроля для копирования ДНК. В результате транскрипция имеет более низкую точность копирования, чем репликация ДНК.

Механизм транскрипции

Синтез матричной РНК основан на принципе комплементарности нуклеиновых кислот и осуществляется РНК-полимеразами, которые катализируют замыкание фосфодиэфирной связи между рибонуклеозидтрифосфатами.

У прокариот мРНК синтезируется тем же ферментом, что и другие виды рибонуклеотидов, а у эукариот — РНК-полимеразой II.

Транскрипция включает 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. На пером этапе полимераза присоединяется к промотору — специализированному участку, предваряющему кодирующую последовательность. На стадии элонгации фермент наращивает цепь РНК, присоединяя к цепи нуклеотиды, комплементарно взаимодействующие с матричной цепью ДНК.

Процессинг тРНК

Процесс биосинтеза белков имеет необходимое звено — молекулу транспортной РНК (тРНК), которая должна распознать триплет — последовательность из трех нуклеотидов матричной РНК (мРНК), что загружена на рибосому, и в соответствии с таким триплетного кода донести аминокислоту к полипептидной цепи белка, который синтезируется.

Но молекула тРНК не синтезируется в готовом виде — она ​​транскрибируется РНК-полимеразы III с ДНК матрицы, в виде пре-тРНК и проходит стадию созревания, в результате которой приобретает третичной структуры L-образной формы, длиной в 74-95 нуклеотидов (чаще 76) . С одного конца она содержит антикодонову последовательность, будет комплементарной кодона мРНК, с другой — аминокислоту (Акцепторная стебель).

Процессинг тРНК включает пять этапов:

1. Отключение 5′-последовательности (англ. 5 ‘leader) РНКазы P с участием рибонуклеопротеинового комплекса.
2. Отключение 3 ‘хвоста (англ. 3′ trailer) комбинацией из нескольких экзо и эндонуклеаз.
3. Добавление последовательности трех нуклеотидов CCA (цитозин-цитозин-аденин) до 3 ‘конца молекулы, которые будут неспаренными и к которым будет присоединяться аминокислота.
4. Вырезания интрона (сплайсинг), которое происходит в большинстве эукариот и в некоторых тРНК архей.
5. Модификации тРНК в различных местах включая редактирование РНК, метилирование нуклеотидов.

5′-конец пре-тРНК разрезается РНКазы P, а 3 ‘последовательность процесуеться тРНКазою Z (англ. TRNase Z) и другими ферментами.

У человека случаются пре-тРНК как с интроном, так и без него. Эндонуклеаза, которая осуществляет сплайсинг пре-тРНК, имеет четыре компонента, которые формируют комплекс TSEN (англ. TRNA splicing endonuclease, TSEN, SEN): каталитические субъединицы TSEN2 и TSEN34 и структурные субъединицы TSEN15 и TSEN54. Эти субъединицы возникли вследствие нескольких случаев дупликации генов в ходе эволюции ядерных, с последующей специализацией каждой субъединицы. Sen2 и Sen34 субъединицы имеют наибольший уровень гомологии с нуклеазами архей.

Процессинг тРНК сильно отличается у разных организмов — для каждого из пяти этапов в ходе эволюции возникли разные сценарии: несколько возможностей формирования 3’и 5′-концов, два разных пути сплайсинга тРНК, вариации в добавлении CCA и механизмах контроля качества тРНК. Дополнительными вариациями есть несколько путей экспорта тРНК из цитоплазмы в ядро, также был открыт механизм импорта тРНК в митохондрии. В митохондриях всех организмов происходит собственная трансляция, но митохондриальная ДНК содержит не все гены тРНК, так что некоторые из них должны доставляться сначала из ядра в цитоплазму, а дальше из цитоплазмы в митохондрию.

У большинства организмов основным этапом вырезания интрона тРНК является распознавание специфической структуры BHB (англ. Bulge-helix-bulge), которая является маркером интрон-экзонных перехода и состоит из следующих частей: короткая последовательность неспаренных нуклеотидов, затем спираль, сформированная спаренными нуклеотидами, за ней — снова короткая последовательность неспаренных нуклеотидов.

В красных водорослей Cyanidioschyzon merolae есть гены тРНК, кодирующих транскрипт с несколькими интронов, или такими интронов, где 3 ‘часть кодирующей последовательности тРНК лежит в 5’-части гена. Для процессинга таких пре-тРНК конце молекулы должны быть сшиты в кольцо, и уже потом видбуаеться сплайсинг.

Нарушение процессинга РНК и болезни

Нормальное функционирование клеток зависит от строгого контроля уровня экспрессии как РНК, кодирующих белки, так и некодирующих РНК. Такие РНК принимают участие в транскрипции, процессинга и трансляции, поддержании длины теломер и многих других событиях в клетке. Поскольку процессинг РНК включает в себя созревания молекулы РНК от той формы, закодирована в молекуле ДНК, к зрелой функциональной РНК, то нарушение этого процесса может вызвать заболевание.

Так при возникновении изоформ мРНК — например, в результате мутаций, которые приводят к активации другого сайта сплайсинга — белки, которые считываются из таких матриц могут иметь другой аминокислотный состав или быть конформационно нестабильными, что приводит к неспособности белка выполнять свои функции. Примеров альтернативного сплайсинга, который приводит к заболеваниям, множество. Так при атаксии телеангиэктазии (синдром Луи-Бар), нейродегенеративных заболеваниях со склонностью к злокачественным новообразованиям, делеция 4 нуклеотидов в 20-м интроне гена ATM (англ. Ataxia-telengiectasia mutated) приводит к активации альтернативного сплайсинга, и вызывает развитие заболевания.

РНК существуют в клетках в связанном с белками состоянии, в виде так называемых рибонуклеопротеинових комплексов (РНП, англ. RNP), состоящих из одной или более молекул РНК и зачастую многих РНК-связывающих белков (англ. RNA-binding proteins, RBP, RNABP). Собственно, выполнение соответствующими РНК своих функций происходит в таких рибонуклеопротеинових комплексах, и их нормальная активность зависит от четкого расположения белковых структур относительно третичной структуры РНК. Сбои при процессинга адекватность некодирующих РНК, так и мРНК, кодирующих эти белки, могут привести к нарушению образования этих комплексов. Например, РНК-связывающие белки, в нормальных условиях участвуют в регуляции сплайсинга, формируют нетипичные агрегаты при болезни Паркенсона и при амиотрофический боковой склерозе.

Интересным случаем является синонимичные мутации — это такие мутации в гене, приходящихся на кодирующую участок РНК и не приводят к изменению аминокислоты, они кодируют. Например, ГГТ, ГГА и ГГГ кодируют одну аминокислоту — глицин. При точечной мутации гена в третьем положении этого кодона ГГ_ (например ГГ А → ГГ Ц), аминокислота кодируемый такой мРНК не изменится — это все равно будет глицин, отсюда и название мутации — синонимична, ведь в данном случае А синонимический Ц. Долгое время считалось, что синонимичные мутации не приводят к каким-либо влияния на функционирование клетки. Однако в некоторых случаях до 25% таких синонимических мутаций могут влиять на взаимодействие со сплайсосома и приводить к альтернативному сплайсинга.

Трансляция — второй этап биосинтеза белка

Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. 

Что же происходит в клетке? Трансляция представляет собой непосредственно процесс построения белковой молекулы из аминокислот. Трансляция происходит в цитоплазме клетки. В трансляции участвуют рибосомы, ферменты и три вида РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Глав­ным по­став­щи­ком энер­гии при трансляции слу­жит мо­ле­ку­ла АТФ — аде­но­з­ин­три­фос­фор­ная кис­ло­та. 

Во время транс­ля­ции нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­во­дят­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле по­ли­пеп­тид­ной цепи. Этот про­цесс идёт в ци­то­плаз­ме на ри­бо­со­мах. Об­ра­зо­вав­ши­е­ся ин­фор­ма­ци­он­ные РНК вы­хо­дят из ядра через поры и от­прав­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам. Ри­бо­со­мы — уни­каль­ный сбо­роч­ный ап­па­рат. Ри­бо­со­ма сколь­зит по иРНК и вы­стра­и­ва­ет из опре­де­лён­ных ами­но­кис­лот длин­ную по­ли­мер­ную цепь белка. Ами­но­кис­ло­ты до­став­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам с по­мо­щью транс­порт­ных РНК. Для каж­дой ами­но­кис­ло­ты тре­бу­ет­ся своя транс­порт­ная РНК, ко­то­рая имеет форму три­лист­ни­ка. У неё есть уча­сток, к ко­то­рому при­со­еди­ня­ет­ся ами­но­кис­ло­та и дру­гой три­плет­ный ан­ти­ко­дон, ко­то­рый свя­зы­ва­ет­ся с ком­пле­мен­тар­ным ко­до­ном в мо­ле­ку­ле иРНК.

Це­поч­ка ин­фор­ма­ци­он­ной РНК обес­пе­чи­ва­ет опре­де­лён­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в це­поч­ке мо­ле­ку­лы белка. Время жизни ин­фор­ма­ци­он­ной РНК ко­леб­лет­ся от двух минут (как у неко­то­рых бак­те­рий) до несколь­ких дней (как, на­при­мер, у выс­ших мле­ко­пи­та­ю­щих). Затем ин­фор­ма­ци­он­ная РНК раз­ру­ша­ет­ся под дей­стви­ем фер­мен­тов, а нук­лео­ти­ды ис­поль­зу­ют­ся для син­те­за новой мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Таким об­ра­зом, клет­ка кон­тро­ли­ру­ет ко­ли­че­ство син­те­зи­ру­е­мых бел­ков и их тип.

Трансляция пошагово:

1. Рибосома узнаёт КЭП, садится на иРНК. 
2. На Р-сайт рибосомы приходит первая тРНК с аминокислотой. 
3. На А-сайт рибосомы приходит вторая тРНК с аминокислотой. 
4. АК образуют пептидную связь. 
5. Рибосома делает шаг длиною в один триплет. 
6. На освободившийся А-сайт приходит следующая тРНК. 
7. АК образуют пептидную связь. 
8. Процессы 5–7 продолжаются, пока рибосома не встретит стоп-кодон. 
9. Рибосома разбирается, отпускает полипептидную цепь. 

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Ингибиторы

Ингибиторы транскрипции можно использовать в качестве антибиотиков , например, против патогенных бактерий ( антибактериальные препараты ) и грибов ( противогрибковые ). Примером такого антибактериального средства является рифампицин , который ингибирует бактериальную транскрипцию ДНК в мРНК, ингибируя ДНК-зависимую РНК-полимеразу путем связывания ее бета-субъединицы, в то время как 8-гидроксихинолин является противогрибковым ингибитором транскрипции. Эффекты метилирования гистонов также могут подавлять действие транскрипции. Сильные, биоактивные природные продукты, такие как триптолид, которые ингибируют транскрипцию млекопитающих посредством ингибирования субъединицы XPB общего фактора транскрипции TFIIH, недавно были описаны в качестве конъюгата глюкозы для нацеливания на гипоксические раковые клетки с повышенной экспрессией переносчика глюкозы.

Приложения

Комплементарная ДНК часто используется при клонировании генов или в качестве генов-зондов или при создании библиотеки кДНК . Когда ученые переносят ген из одной клетки в другую, чтобы выразить новый генетический материал в виде белка в клетке-реципиенте, кДНК будет добавлена ​​к реципиенту (а не ко всему гену), потому что ДНК для всего гена может включать ДНК, которая не кодирует белок или прерывает кодирующую последовательность белка (например, интроны ). Частичные последовательности кДНК часто получают в виде меток экспрессируемой последовательности .

Поскольку амплификация последовательностей ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) стала обычным явлением, обычно проводят обратную транскрипцию в качестве начального шага, за которым следует ПЦР для получения точной последовательности кДНК для внутриклеточной экспрессии. Это достигается путем конструирования специфичных для последовательности праймеров ДНК, которые гибридизуются с 5′- и 3′-концами области кДНК, кодирующей белок. После амплификации последовательность может быть разрезана с каждого конца нуклеазами и вставлена ​​в одну из множества небольших кольцевых последовательностей ДНК, известных как векторы экспрессии. Такие векторы допускают саморепликацию внутри клеток и, возможно, интеграцию в ДНК хозяина. Обычно они также содержат сильный промотор для управления транскрипцией целевой кДНК в мРНК, которая затем транслируется в белок.

13 июня 2013 года Верховный суд США постановил в деле Association for Molecular Patology v. Myriad Genetics, что, хотя природные гены человека не могут быть запатентованы , кДНК имеет право на получение патента, поскольку не встречается в природе.

кДНК также используется для изучения экспрессии генов с помощью таких методов, как RNA-seq или RT-qPCR . Для секвенирования РНК должна быть фрагментирована из-за ограничений размера платформы секвенирования. Кроме того, синтезированная вторая цепь кДНК должна быть лигирована с адаптерами, которые позволяют фрагментам кДНК амплифицироваться с помощью ПЦР и связываться с секвенирующими проточными клетками. В методах анализа генов обычно используются микроматрицы и RT-qPCR для количественного определения уровней кДНК с помощью флуорометрических и других методов.

Фабрики транскрипции

Активные единицы транскрипции сгруппированы в ядре в дискретных участках, называемых фабриками транскрипции или эухроматином . Такие сайты можно визуализировать, позволив задействованным полимеразам расширить свои транскрипты в помеченных предшественниках (Br-UTP или Br-U) и пометив иммуно-меченую зарождающуюся РНК. Фабрики транскрипции также можно локализовать с помощью флуоресцентной гибридизации in situ или пометить антителами, направленными против полимераз. В нуклеоплазме клетки HeLa имеется ~ 10 000 фабрик , среди которых ~ 8 000 фабрик полимеразы II и ~ 2 000 фабрик полимеразы III. Каждая фабрика полимеразы II содержит ~ 8 полимераз. Поскольку наиболее активные единицы транскрипции связаны только с одной полимеразой, каждая фабрика обычно содержит ~ 8 различных единиц транскрипции. Эти единицы могут быть связаны через промоторы и / или энхансеры, при этом петли образуют «облако» вокруг фактора.

Структура мРНК

В нуклеотидную последовательность матричной РНК входят транслируемые области, в которой закодирована первичная структура белка, и неинформативные участки, состав которых у прокариот и эукариот отличается.

Кодирующая область начинается с инициирующего кодона (AUG) и заканчивается одним из терминирующих (UAG, UGA, UAA). В зависимости от типа клетки (ядерная или прокариотическая) матричная РНК может содержать один или несколько транслирующих участков. В первом случае она называется моноцистронной, а во втором — полицистронной. Последняя характерна только для бактерий и архей.