Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 28. РЕАЛІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ В ЕУКАРІОТИЧНИХ КЛІТИНАХ

Пригадайте, що таке реакції матричного синтезу, транскрипція, трансляція, принцип комплементарності, промотор, мозаїчна будова еукаріотичних генів. Яка будова та функції рибосом? Які властивості генетичного коду?

У 1958 р. британський молекулярний біолог, лауреат Нобелівської премії Френсіс Крік сформулював центральну догму молекулярної біології, яка схематично описує спільні для всіх організмів шляхи збереження, передачі та реалізації генетичної інформації (мал. 28.1).

Мал. 28.1. Схема, що ілюструє центральну догму молекулярної біології

Транскрипція в еукаріотів, або синтез молекул РНК, є першим етапом реалізації генетичної інформації. У результаті цього процесу утворюється молекула РНК, яка є копією однієї з ниток ДНК.

В еукаріотів транскрипція відбувається за допомогою трьох РНК-полімераз, які впізнають власні промотори і транскрибують різні гени.

Отже, транскрипцію можна поділити на три основні етапи: ініціацію (початок), елонгацію (продовження) та термінацію (закінчення). Для того щоб розпочати транскрипцію, усі РНК-полімерази потребують участі низки білків. Вони впізнають послідовності відповідних промоторів, зв’язуються з ДНК і допомагають приєднатися РНК-полімеразі.

Під час елонгації РНК-полімераза пересувається вздовж молекули ДНК, здійснюючи матричний синтез РНК. Термінація транскрипції, як й ініціація, також потребує специфічних ділянок ДНК (термінаторів), які розташовані на певній відстані за кодуючою послідовністю гена. Так, під час транскрипції білкових генів інша РНК-полімераза продовжує синтез після проходження термінатора. Водночас спеціальні ферменти розрізають РНК, а синтезована молекула РНК (проРНК) звільняється від РНК-полімерази і може використовуватися в подальших процесах (мал. 28.2).

Мал. 28.2. Схема, яка ілюструє процес термінації транскрипції. Після проходження термінатора (1) спеціальні ферменти розрізають РНК (2). РНК-полімераза деякий час продовжує синтез РНК (3), а потім від’єднується від матриці (4)

Дозрівання РНК. Молекула проРНК, яка утворюється під час транскрипції, непридатна для виконання відповідних функцій. Для набуття функціональності вона підлягає дозріванню — процесингу. Розглянемо процес дозрівання РНК на прикладі мРНК. Для перетворення попередника пре-мРНК на зрілу функціональну молекулу мРНК вона повинна пройти низку модифікацій.

Виділяють три основні етапи процесингу мРНК: модифікація 5'-кінця пре-мРНК (кепування), усування інтронів та зшивання екзонів (сплайсинг), а також модифікація 3'-кінця за рахунок приєднання хвоста з аденілових нуклеотидів (знайдіть ці етапи на малюнку 28.3). 5'- та 3'-кінці визначають орієнтацію ланцюгів молекул нуклеїнових кислот. Вона залежить від розташування певних атомів Карбону в молекулі пентози — рибози або дезоксирибози (пригадайте, їх п’ять і вони відповідно позначені, як 1', 2', 3', 4', 5').

Мал. 28.3. Основні етапи дозрівання мРНК

Кепування полягає в приєднанні модифікованого нуклеотиду до 5'-кінця пре-мРНК. Утворюється структура, яку називають кепом (від англ. cap — шапка). Він захищає мРНК від руйнування ферментами, які розщеплюють фосфодиетерний зв’язок, від’єднуючи по одному нуклеотиду з 5'-кінця нуклеїнової кислоти, бере участь в транспорті мРНК у цитоплазму та відіграє важливу роль в ініціації синтезу білка. Сам процес кепування відбувається за допомогою специфічних ферментів одразу після початку транскрипції.

Сплайсинг перебігає за допомогою спеціального комплексу білків і малих ядерних РНК (мяРНК), що формується на молекулі пре-мРНК і має назву сплайсосома (мал. 28.4). Каталітична активність сплайсосоми залежить не від білків, а від молекул РНК, які діють як ферменти (рибозими).

Мал. 28.4. Роль сплайсосоми під час вирізання інтрону і з’єднання екзонів. На малюнку в складі сплайсосоми показано тільки малі ядерні РНК (мяРНК)

Більшість еукаріотичних мРНК на 3'-кінці мають приєднаний хвіст (полі-А), що містить до 250 аденілових нуклеотидів. Цю модифікацію називають поліаденилюванням. «Хвіст» з аденілових нуклеотидів захищає мРНК від руйнування (ферментами, які відщеплюють по одному нуклеотиду з 3'-кінця нуклеїнової кислоти) та відіграє важливу роль в ініціації трансляції.

Усі етапи дозрівання пре-мРНК відбуваються в ядрі. Після проходження всіх етапів дозрівання мРНК може бути задіяна в подальшому синтезі білка (мал. 28.5).

Мал. 28.5. Схематичне зображення дозрілої мРНК. Відкрита рамка зчитування — це послідовність триплетів у мРНК (від старт-кордону АУГ до стоп-кордону), які здатні кодувати білок. ДНТ (ділянки, що не транслюються) — послідовності мРНК з обох боків від відкритої рамки зчитування; білок вони не кодують

Цікаво знати

Дозрівають молекули не тільки мРНК, а також тРНК та рРНК. У клітинах спочатку синтезуються великі молекули-попередники тРНК (пре-тРНК) та рРНК (пре-рРНК), які потім за допомогою ферментів нарізаються на окремі функціональні молекули.

Як ви пам’ятаєте, кінцевий етап експресії генів — трансляція — синтез білкової молекули. Її поділяють на три етапи: ініціацію (приєднання рибосоми та ініціюючої тРНК до мРНК), елонгацію (повторювальні цикли додавання амінокислот до поліпептиду, що синтезується) та термінацію (закінчення трансляції та звільнення синтезованого поліпептиду). На кожному етапі трансляції використовується набір «допоміжних» білків — трансляційних факторів.

На етапі ініціації трансляції рибосома та ініціаторна тРНК повинні впізнати на мРНК старт-кодон (АУГ). Зрозуміло, що будь-яка еукаріотична мРНК містить велику кількість триплетів АУГ, з яких тільки один має бути ініціюючим. Пошук саме старт-кодону відбувається за допомогою процесу своєрідного «сканування» мРНК: мала субодиниця рибосоми сідає на мРНК і рухається в напрямку до 3'-кінця, доки не натрапить на старт-кодон.

Ключові терміни та поняття

процесинг РНК, поліаденилювання.

Перевірте здобуті знання

1. Які функції РНК-полімераз? 2. Як відбувається термінація транскрипції в еукаріотів? 3. Які ви знаєте основні етапи дозрівання мРНК? 4. Як відбувається пошук стартового кодону при ініціації трансляції в клітинах еукаріотів?

Поміркуйте

Які функції можуть виконувати достатньо великі ділянки, що не транслюються, на 5'- та 3'-кінцях дозрілих мРНК (див. мал. 28.5)?