Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 22. Транскрипція

РНК — полімер із нуклеотидів

Коли йшлося про нуклеїнові кислоти, ми згадували, що є два типи полінуклеотидів — дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). В обох випадках це лінійний полімер, що складається з нуклеотидних залишків. Хімічні відмінності між ДНК і РНК полягають у тому, що в нуклеотидах РНК є залишок вуглеводу рибози, а в нуклеотидах ДНК — дезоксирибози. Також відмінності стосуються набору нітрогеновмісних основ, із яких побудовані полімери: у РНК замість тиміну наявний урацил. Однак такі незначні відмінності позначаються на фізико-хімічних властивостях молекул. ДНК стабільніша, менше піддається спонтанним розривам ланцюга та модифікаціям хімічними агентами. Тобто ДНК ідеально підходить на роль надійного зберігача інформації. РНК менш стабільна, але, з другого боку, здатна набувати найрізноманітніших просторових форм, які зазвичай недоступні для ДНК. У ній утворюються петлі, вузли, шпильки, вона формує комплекси з йонами металів. РНК також є каталізатором деяких хімічних реакцій. Таким чином, якщо РНК і програє ДНК за надійністю зберігання інформації, то вона беззаперечно попереду за різноманіттям форм і функцій. Отож з’ясуємо, як молекули РНК утворюються в клітині.

РНК може синтезуватися на матриці ДНК

У попередньому параграфі ми розглянули, як відбувається синтез ДНК. Можна припустити, що синтез РНК відбувається подібним чином. Справді, РНК у клітині утворюється шляхом з’єднання рибонуклеотидів у полімерний ланцюг на матриці ДНК. Цей процес називають транскрипцією.

Артур і Роджер Корнберги

Артур Корнберг народився 1918 року в Нью-Йорку в родині переселенце із Галичини. Навчався в Рочестерському університеті. Відомий у світі передусім як дослідник ферментів синтезу нуклеїнових кислот. Він відкрив фермент ДНК-полімеразу, також уперше здійснив синтез ДНК і РНК «у пробірці». Саме «за дослідження механізмів біосинтезу рибонуклеїнових та дезоксирибонуклеїнових кислот» у 1959 році був удостоєний Нобелівської премії з фізіології або медицини. Артур Корнберг мав трьох синів. Один із них — Роджер Корнберг — став колегою батька. Він народився 1947 року в Сент-Луїсі (штат Міссурі, США). Навчався в Гарвардському університеті. Цікаво, що Роджер продовжив батькові дослідження синтезу нуклеїнових кислот. Поштовхом до цього могло бути те, що він у 12-річному віці побував у Стокгольмі на церемонії вручення батькові Нобелівської премії. За свої праці Роджер також був нагороджений Нобелівською премією з хімії 2006 року «за дослідження механізму копіювання клітинами генетичної інформації». Артур Корнберг продовжував дослідження до кінця життя (помер учений 2007 року від застуди), а Роджер працює професором Стенфордського університету в США.

Рис. 22.1. Порівняння реплікації (А) та транскрипції (Б)

Перебіг процесу транскрипції має багато спільного з реплікацією (рис. 22.1). Як і у випадку реплікації, транскрипція починається з розплітання невеличкої ділянки дволанцюгової ДНК. Основний білок, залучений до транскрипції, — РНК-полімераза. Як і у випадку з ДНК-полімеразою, РНК-полімераза будуватиме полінуклеотидний ланцюг, але як мономерні ланки використовуватиме рибонуклеотиди. Вони мають таку саму будову, що й дезоксирибонуклеотиди, і містять три послідовно з’єднані залишки ортофосфатної кислоти, приєднані до цукру рибози. РНК-полімераза відщеплює два з них, а енергію, що при цьому виділяється, використовує для включення нуклеотиду до ланцюга, а також для переміщення по ДНК. Цим вона дуже нагадує ДНК-полімеразу. РНК-полімераза будує нитку РНК за принципом комплементарності, лише на місце тиміну ставить урацил. Реалізація принципу комплементарності досягається завдяки тому, що на короткій ділянці, яку займає РНК-полімераза, формується дволанцюговий спіральний комплекс із нитки ДНК та комплементарної нитки наново синтезованої РНК.

У процесі реплікації формуються дві реплікативні вилки, які рухаються в протилежних напрямках1. Під час же транскрипції відбувається синтез РНК тільки за одним із ланцюгів ДНК і тільки в одному напрямку2. Таким чином, якщо для здійснення реплікації потрібна робота двох ДНК-полімераз (по одній на кожну реплікативну вилку), то для здійснення однонапрямленої транскрипції — лише одної РНК-полімерази.

Рис. 22.2. Транскрипція

Молекулярна модель РНК-полімерази, що здійснює транскрипцю.

1 Це так звана двонапрямлена реплікація. Нерідко в природі трапляється й однонапрямлена реплікація, коли працює тільки одна вилка.

2 Як показали дослідження останніх років, це правило не завжди виконується, особливо в багатоклітинних еукаріотів, таких як ми з вами. Іноді синтез РНК може відбуватися одночасно за обома ланцюгами ДНК.

Розплетена ділянка ДНК у процесі транскрипції не зростає, а лише пересувається за рухом РНК-полімерази. На виході з РНК-полімерази обидві ділянки одноланцюгової ДНК знову об’єднуються одна з одною до дволанцюгового спірального комплексу (рис. 22.2) Подивитися, як працює еукаріотична РНК-полімераза, ви можете на відео за посиланням.

Реплікація припиняється тоді, коли дві реплікативні вилки, що рухаються назустріч одна одній, зустрічаються. У такий спосіб відбувається копіювання всієї ДНК. Щодо транскрипції, то тут ситуація принципово інша. Зазвичай відбувається зчитування невеличкої (кілька тисяч нуклеотидів) ділянки ДНК. Після цього транскрипція припиняється. РНК-полімераза від’єднується від ДНК, відбувається вивільнення синтезованої молекули РНК. Процес припинення транскрипції регулюється клітиною й здійснюється по-різному для різних типів РНК.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі, в еукаріотів — лише в ядрі, як і реплікація1. На відміну від реплікації, яка в еукаріотів пов’язана зі строго визначеним періодом життя клітини, транскрипція тих чи інших ділянок ДНК може відбуватися в різний час. Логічно припустити, що спостерігається певна конкуренція між транскрипцією та реплікацією. Обидва ці процеси можуть відбуватися одночасно. У «боротьбі» перемагає реплікація: якщо реплікативна вилка, що переміщується, стикається з РНК-полімеразою, що рухається їй назустріч, то вона просто скидає останню з ланцюга ДНК. У клітинах, які інтенсивно діляться, а отже, у яких інтенсивно проходить реплікація, транскрипція зазвичай придушена. Це характерно для ранніх стадій розвитку ембріонів тварин: перші поділи зазвичай відбуваються дуже швидко й майже вся ядерна ДНК «зайнята» реплікацією, тож клітинам доводиться обходитися тією РНК, що була синтезована та запасена в яйцеклітині.

Чи справді ДНК «повноцінніша» за РНК?

Клітина містить різні системи для синтезу полінуклеотидів. У § 21 ми розглянули реплікацію — синтез одного ланцюга ДНК на іншому, що здійснюється ферментом ДНК-полімеразою (іноді його ще називають ДНК-залежною ДНК-полімеразою). І як ми з’ясували в цьому параграфі, на ланцюгу ДНК також може відбуватися синтез ланцюга РНК — транскрипція, яка здійснюється ферментом РНК-полімеразою (іноді її називають ДНК-залежною РНК-полімеразою). Отже, відносини між РНК і ДНК виглядають так, як показано на рисунку 22.3.

Виникає несиметрична ситуація: ДНК видається «повноціннішою», оскільки здатна відтворювати себе та ще й слугувати основою для синтезу РНК. А РНК тільки й може, що синтезуватися РНК-полімеразами на нитках ДНК та виконувати свої функції в клітині. Проте вже давно відомо, що ситуація в живій природі набагато симетричніша.

Спочатку було відкрито фермент, здатний синтезувати ланцюг ДНК на ланцюгу РНК. Цей процес назвали зворотною транскрипцією, а фермент — зворотною транскриптазою (чи РНК-залежною ДНК-полімеразою). Цей фермент є, наприклад, у вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ) і потрібний для здійснення його життєвого циклу.

Рис. 22.3. Віlносини ДНК і РНК

1 Якщо не враховувати транскрипцію, що відбувається в мітохондріях і хлоропластах.

Рис. 22.4. Повна схема відносин ДНК і РНК

Не варто забувати, що зворотна тракскриптаза працює й у людей: вона залучена до процесу перебудови ДНК. Пізніше був відкритий фермент, здатний синтезувати ланцюг РНК на іншому ланцюгу РНК, — РНК-репліказа (або РНК-залежна РНК-полімераза). Уперше її було виявлено у вірусу поліомієліту, але пізніше — і в багатьох еукаріотів. Виходить, що схема відносин між нуклеїновими кислотами є симетричнішою (рис. 22.4).

Незважаючи на різноманіття цих процесів, у всіх них є спільна властивість: один полінуклеотидний ланцюг синтезується на іншому полінуклеотидному ланцюгу за принципом комплементарності. Це приклад так званого матричного синтезу — одна з молекул є матрицею для побудови іншої. Як ми бачимо, у випадку нуклеїнових кислот реалізуються всі чотири можливі варіанти: ДНК —> ДНК, ДНК —> РНК, РНК —> ДНК та РНК —> РНК. Пізніше ми ознайомимось із ще одним прикладом матричного синтезу, але спершу розглянемо безмежну різноманітність РНК, що наявні у клітині.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Після транскрипції ділянка ланцюга ДНК -аденін-гуанін-цитозин-тимін- у відповідній РНК матиме вигляд

  • А -гуанін-урацил-аденін-цитозин-
  • Б -аденін-гуанін-цитозин-тимін-
  • В -тимін-цитозин-гуанін-аденін-
  • Г -аденін-гуанін-цитозин-урацил-
  • Д -урацил-цитозин-гуанін-аденін-

2. Виберіть характеристики, що відрізняють РНК від ДНК.

  • А виконує більше функцій і менш стабільна
  • Б стабільніша та може набувати більшого різноманіття форм
  • В менш надійно зберігає інформацію та виконує менше функцій
  • Г може набувати меншого різноманіття форм і бере участь у прискоренні хімічних реакцій
  • Д бере участь у прискоренні хімічних реакцій і надійніше зберігає інформацію

3. На початкових етапах розвитку зародка транскрипція не відбувається, оскільки

  • А немає потрібних ферментів
  • Б немає ДНК у клітині
  • В немає вільних нуклеотидів
  • Г ДНК зайнята в процесі реплікації
  • Д для роботи РНК-полімерази бракує енергії

4. Копіювання інформації з РНК на нову РНК здійснюється

  • А зворотною транскриптазою
  • Б ДНК-залежною ДНК-полімеразою
  • В репліказою
  • Г РНК-залежною ДНК-полімеразою
  • Д ДНК-залежною РНК-полімеразою

5. Якщо ДНК-полімераза та РНК-полімераза зустрічаються на молекулі ДНК, то

  • А реплікація й транскрипція припиняються
  • Б реплікація припиняється й продовжується транскрипція
  • В реплікація продовжується, а транскрипція припиняється
  • Г реплікація і транскрипція не перешкоджають одна одній і тривають
  • Д реплікація перетворюється на транскрипцію

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Схарактеризуйте всі відомі вам відмінності між ДНК і РНК.

7. Скільки ланцюгів одночасно синтезуються під час реплікації та транскрипції? Що є причинами цих відмінностей?

8. Як на підставі механізмів матричного синтезу пояснити коротшу довжину молекул РНК порівняно з довжиною молекул ДНК?

9. Які з чотирьох можливих матричних синтезів нуклеїнових кислот потрібні для передавання ознак нащадкам в еукаріотів і прокаріотів? Поясніть свої міркування.

10. У чому полягає матричність синтезу РНК чи ДНК за іншою ДНК? Без яких особливостей будови цих речовин такі матричні синтези були б неможливі?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Навіщо вірусові ВІЛ здійснювати зворотну транскрипцію? Як ця властивість може бути використана для лікування ВІЛ-інфекції?

12. Найповніше матричні синтези нуклеїнових кислот використовують віруси. Чому саме в цієї групи істот вони так поширені?

13. Деякі РНК-вмісні віруси для розмноження реплікують свою нуклеїнову кислоту, а деякі ні. Чим зумовлені такі відмінності?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14. Один із видів зворотної транскриптази в деяких клітинах еукаріотів добудовує кінцеві ділянки хромосом — теломери, аби вони не вкорочувалися під час реплікації. Для яких клітин важливий такий процес і як він відбувається? До чого призводить «увімкнення» цього ферменту в усіх клітинах?

15. За відкриття багатьох матричних синтезів нуклеїнових кислот учені отримували Нобелівські премії. Хто ці вчені та чому Нобелівський комітет уважав ці відкриття настільки важливими?