Dopo la decrittazione codice genetico Sorge la domanda: come avviene il trasferimento di informazioni dal DNA alle proteine? Studi biochimici hanno stabilito che la maggior parte del DNA in una cellula è localizzata nel nucleo, mentre la sintesi proteica avviene nel citoplasma. Questa separazione territoriale del DNA e della sintesi proteica ha portato alla ricerca di un mediatore. Poiché la sintesi proteica procedeva con la partecipazione dei ribosomi, l'RNA è stato proposto come intermediario. È stato creato un diagramma che illustra la direzione del flusso di informazioni genetiche in una cellula:
DNA → RNA → proteine
Ha avuto il nome dogma centrale biologia molecolare. F. Crick ha postulato che la sintesi delle macromolecole secondo questo schema avvenga secondo il principio della matrice. Ci sono voluti molti anni per dimostrare la correttezza di questo postulato.
Inizialmente, si presumeva che l'RNA ribosomiale svolgesse il ruolo di intermediario ("un gene - un ribosoma - una proteina"). Tuttavia, questa ipotesi divenne presto chiara. È stato dimostrato che il numero di ribosomi non cambia durante la sintesi proteica; nuovo RNA non viene sintetizzato e quindi nuova informazione non arriva. Ben presto, una frazione di RNA instabile è stata trovata nella composizione dei ribosomi, le cui molecole sono trattenute liberamente sul ribosoma con l'aiuto dei cationi Mg. L'ibridazione molecolare ha dimostrato che queste molecole di RNA sono copie di alcune sezioni del DNA. Ha avuto il nome matrice, o RNA messaggero. Era anche chiamato in precedenza RNA-intermediario e RNA messaggero. La complementarità di queste molecole con determinate regioni del DNA indicava che sono sintetizzate in base al tipo di stampo sul DNA.
A poco a poco, è stato chiarito l'intero percorso di trasferimento delle informazioni dal DNA alle proteine. Si compone di due fasi: trascrizioni e trasmissioni. Nella fase della trascrizione, avviene la lettura e il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all'mRNA. Il processo di trascrizione procede in tre fasi: iniziazione, allungamento e cessazione. Le informazioni vengono lette da un solo filamento di DNA (+ filamento), poiché, in base alle proprietà del codice genetico, le sezioni di DNA complementari non possono codificare la struttura della stessa proteina a causa della mancanza di degenerazione complementare del codice. L'enzima di trascrizione è l'RNA polimerasi, che consiste di quattro subunità (ααββ") e non ha specificità per la fonte di DNA. stato iniziale trascrizione - inizio - la quinta subunità, il cosiddetto fattore s, è attaccata all'enzima, che riconosce un sito specifico del DNA, il promotore. I promotori non vengono trascritti. Sono riconosciuti dal fattore s dalla presenza di una specifica sequenza nucleotidica in essi. Nei promotori batterici è chiamato blocco di Pribnow e ha la forma TATAAT (con lievi variazioni). L'enzima RNA polimerasi si lega al promotore. La catena di mRNA cresce in una direzione, il tasso di trascrizione è ≈ 45-50 nucleotidi per 1 secondo. Nella fase di inizio, viene sintetizzata solo una catena corta di 8 nucleotidi, dopodiché il fattore s viene separato dall'RNA polimerasi e inizia la fase di allungamento. L'accumulo della catena dell'mRNA è già effettuato dal tetramero proteico. Il sito da cui vengono lette le informazioni è chiamato trascrizione. Termina con un terminatore, una specifica sequenza nucleotidica che svolge il ruolo di segnale di arresto. Raggiunto il terminatore, l'enzima RNA polimerasi smette di funzionare e, con l'aiuto di fattori di terminazione proteica, viene separato dalla matrice.
Nelle cellule batteriche, le molecole di mRNA risultanti possono agire immediatamente come modelli per la sintesi proteica; trasmissione. Si collegano ai ribosomi, ai quali le molecole di RNA (tRNA) trasportano simultaneamente gli amminoacidi. Le catene di RNA di trasferimento sono lunghe circa 70 nucleotidi. Una molecola di tRNA a singolo filamento ha siti di accoppiamento complementare, che includono centri attivi: un sito per il riconoscimento del tRNA da parte dell'enzima tRNA sintetasi, che lega il corrispondente amminoacido attivato al tRNA; un accettore è un sito a cui è attaccato un amminoacido e un'ansa dell'anticodone.
Anticodoneè una tripletta complementare al corrispondente codone nella molecola di mRNA. L'interazione codone-anticodone procede per il tipo di accoppiamento complementare, durante il quale un amminoacido è attaccato a una catena proteica in crescita. Il codone iniziale in vari mRNA è il codone AUG corrispondente all'amminoacido metionina. Pertanto, il tRNA con l'anticodone UAC accoppiato all'amminoacido attivato metionina è il primo ad avvicinarsi allo stampo. Gli enzimi che attivano gli amminoacidi e li legano al tRNA sono chiamati aminoacil-tRNA sintetasi. Tutte le fasi della biosintesi proteica (inizio, allungamento, terminazione) sono servite da fattori di traduzione proteica. I procarioti ne hanno tre per ogni stadio. Alla fine del modello di mRNA ci sono codoni senza senso che non vengono letti e segnano la fine della traduzione.
Nel genoma di molti organismi, dai batteri all'uomo, sono stati trovati geni e i loro corrispondenti tRNA che eseguono letture di codoni non standard. Questo fenomeno è stato nominato ambiguità di trasmissione.
Evita conseguenze negative errori che si verificano nella struttura delle molecole di mRNA durante la trascrizione. Pertanto, quando all'interno della molecola di mRNA compaiono codoni senza senso che possono interrompere prematuramente il processo di trascrizione, si attiva il meccanismo di soppressione. Consiste nel fatto che nella cella appare forma insolita tRNA con un anticodone complementare al codone senza senso, che non dovrebbe essere normale. Il suo aspetto è il risultato dell'azione di un gene che effettua un cambiamento di base nell'anticodone tRNA, che è simile nella composizione al codone senza senso. Come risultato di tale sostituzione, il codone senza senso viene letto come un normale codone significativo. Tali mutazioni sono chiamate soppressori, perché. sopprimono la mutazione originale che ha portato alla comparsa del codone senza senso.
Il DNA - il vettore di tutte le informazioni genetiche nella cellula - non partecipa direttamente alla sintesi delle proteine. Nelle cellule animali e vegetali, le molecole di DNA sono contenute nei cromosomi del nucleo e sono separate da una membrana nucleare dal citoplasma, dove vengono sintetizzate le proteine. Ai ribosomi - siti di assemblaggio delle proteine - viene inviato dal nucleo un mediatore che trasporta informazioni, in grado di passare attraverso i pori della membrana nucleare. L'RNA messaggero (i-RNA) è un tale intermediario. Secondo il principio di complementarità, viene letto dal DNA con la partecipazione di un enzima chiamato RNA polimerasi. Il processo di lettura (o meglio, cancellazione), o sintesi dell'RNA, svolto dalla RNA polimerasi, è chiamato trascrizione (trascrizione latina - riscrittura). L'RNA messaggero è una molecola a filamento singolo e la trascrizione proviene da un filamento di una molecola di DNA a doppio filamento. Se il nucleotide G è nel filamento di DNA trascritto, la RNA polimerasi include C nell'RNA, se è T, include A, se è A, include y (l'RNA non include T) (Fig. 46) . In lunghezza, ciascuna delle molecole di mRNA è centinaia di volte più corta del DNA. L'RNA messaggero non è una copia dell'intera molecola del DNA, ma solo una parte di essa: un gene o un gruppo di geni adiacenti che trasportano informazioni sulla struttura delle proteine necessarie per svolgere una funzione. Nei procarioti, questo gruppo di geni è chiamato operone. Leggerai come i geni sono combinati in un operone e come è organizzato il controllo della trascrizione nella sezione sulla biosintesi delle proteine. All'inizio di ogni operone c'è una specie di sito di atterraggio per l'RNA polimerasi chiamato promotore. Questa è una sequenza specifica di nucleotidi del DNA che un enzima riconosce attraverso l'affinità chimica. Solo legandosi al promotore, l'RNA polimerasi è in grado di avviare la sintesi dell'mRNA. Raggiunta la fine dell'operone, l'enzima incontra un segnale (sotto forma di una certa sequenza di nucleotidi) che indica la fine della lettura. L'mRNA finito si allontana dal DNA e va al sito di sintesi proteica. Ci sono quattro fasi nel processo di trascrizione descritto:
1) Legame della RNA polimerasi al promotore;
2) Iniziazione - l'inizio della sintesi. Consiste nella formazione del primo legame fosfodiestere tra ATP o GTP e il secondo nucleotide della molecola di RNA sintetizzata;
3) allungamento - la crescita di una catena di RNA, cioè l'attaccamento sequenziale dei nucleotidi l'uno all'altro nell'ordine in cui i nucleotidi complementari si trovano nel filamento di DNA trascritto. La velocità di allungamento raggiunge i 50 nucleotidi al secondo;
4) terminazione - completamento della sintesi dell'mRNA.
IV. TRASCRIZIONE
La trascrizione è la prima fase nell'implementazione dell'informazione genetica in una cellula. Durante il processo, si formano molecole di mRNA che fungono da matrice per la sintesi proteica, nonché trasporto, ribosomiale e altri tipi di molecole di RNA che svolgono funzioni strutturali, adattatrici e catalitiche (Fig. 4-26).
Riso. 4-26. Schema per l'implementazione dell'informazione genetica nei tratti fenotipici. L'implementazione del flusso di informazioni in una cellula può essere rappresentata dallo schema proteico DNA-"RNA-". DNA-"RNA" sta per biosintesi di molecole di RNA (trascrizione); RNA-"proteina" sta per biosintesi di catene polipeptidiche (traduzione).
La trascrizione negli eucarioti avviene nel nucleo. Il meccanismo di trascrizione si basa sullo stesso principio strutturale dell'accoppiamento di basi complementari nella molecola di RNA (G ≡ C, A=U e T=A). Il DNA funge solo da modello e non cambia durante la trascrizione. I ribonucleosidi trifosfati (CTP, GTP, ATP, UTP) sono substrati e fonti di energia necessari affinché la reazione della polimerasi proceda, la formazione di un legame fosfodiestere da 3,5" tra i ribonucleosidi monofosfati.
La sintesi delle molecole di RNA inizia in determinate sequenze (siti) di DNA, che vengono chiamate promotori, e termina nelle sezioni finali (siti di cessazione). Un tratto di DNA delimitato da un promotore e un sito di terminazione è un'unità di trascrizione - trascrizione. Negli eucarioti, di regola, un gene è incluso nel trascritto (Fig. 4-27), nei procarioti ce ne sono diversi. C'è una zona non informativa in ogni trascrizione; contiene sequenze nucleotidiche specifiche con cui interagiscono fattori di trascrizione regolatori.
Fattori di trascrizione - proteine che interagiscono con determinati siti regolatori e accelerano o rallentano il processo di trascrizione. Il rapporto tra parti informative e non informative nelle trascrizioni eucariotiche è in media di 1:9 (9:1 nei procarioti).
I trascrittoni vicini possono essere separati l'uno dall'altro da regioni di DNA non trascritte. La divisione del DNA in molti trascrittoni consente la lettura individuale (trascrizione) di geni diversi con attività diversa.
Solo uno dei due filamenti di DNA viene trascritto in ogni trascritto, che viene chiamato matrice, si chiama la seconda catena ad essa complementare codifica. La sintesi della catena dell'RNA va dall'estremità 5" alla 3", mentre la catena del DNA stampo è sempre antiparallela all'acido nucleico sintetizzato (Fig. 4-28).
La trascrizione non è associata alle fasi del ciclo cellulare; può accelerare e rallentare a seconda della necessità di una cellula o di un organismo di una particolare proteina.
RNA polimerasi
La biosintesi dell'RNA è effettuata dalle RNA polimerasi dipendenti dal DNA. Tre RNA polimerasi specializzate sono state trovate nei nuclei eucariotici: RNA polimerasi I, sintetizzare il pre-rRNA; RNA polimerasi II, responsabile della sintesi del pre-mRNA; RNA polimerasi III, sintetizzare il pre-tRNA. Le RNA polimerasi sono enzimi oligomerici costituiti da diverse subunità - 2α, β, β", σ. La subunità o (sigma) svolge una funzione di regolazione, questo è uno dei fattori di inizio della trascrizione, le RNA polimerasi I, II, III, riconoscendo diversi promotori , contengono subunità σ strutturalmente diverse.
A. Passaggi di trascrizione
Ci sono 3 fasi nel processo di trascrizione: inizio, allungamento e terminazione.
Iniziazione
Il promotore è attivato da una grande proteina - fattore TATA, così chiamato perché interagisce con una specifica sequenza nucleotidica del promotore - TATAAA- (scatola TATA)(Figura 4-29).
L'attaccamento del fattore TATA facilita l'interazione del promotore con l'RNA polimerasi. I fattori di iniziazione provocano un cambiamento nella conformazione della RNA polimerasi e assicurano lo svolgimento di circa un giro dell'elica del DNA, cioè formato trascrizione Forcella,
Riso. 4-27. La struttura della trascrizione.
Riso. 4-28. Trascrizione di RNA su filamento modello di DNA. La sintesi dell'RNA avviene sempre nella direzione 5 "→ 3".
Riso. 4-29. La struttura del promotore eucariotico. Gli elementi promotore sono sequenze nucleotidiche specifiche caratteristiche di qualsiasi promotore che si lega all'RNA polimerasi. Il primo elemento promotore, la sequenza ATAAA- (TATA-box), è separato dal sito di inizio della trascrizione da circa 25 paia di basi (bp). A una distanza di circa 40 (a volte fino a 120) b.p. da esso si trova la sequenza GGCCAATC- (CAAT-box).
in cui il templato è disponibile per avviare la sintesi del filamento di RNA (Fig. 4-30).
Dopo che un oligonucleotide di 8-10 residui nucleotidici è stato sintetizzato, la subunità σ è separata dall'RNA polimerasi e diversi fattori di allungamento sono invece attaccati alla molecola dell'enzima.
Allungamento
I fattori di allungamento aumentano l'attività della RNA polimerasi e facilitano la separazione dei filamenti di DNA. La sintesi della molecola di RNA procede dall'estremità 5" all'estremità 3" del filamento di DNA stampo complementare. Nella fase di allungamento, nella regione della trascrizione
le forcelle sono simultaneamente separate da circa 18 coppie di nucleotidi di DNA. L'estremità crescente della catena di RNA forma un'elica ibrida temporanea, circa 12 coppie di basi, con la catena del DNA stampo. Mentre l'RNA polimerasi si muove lungo il modello nella direzione dall'estremità 3" all'estremità 5", si verifica una divergenza davanti ad essa e dietro di essa viene ripristinata la doppia elica del DNA.
Cessazione
Lo svolgimento della doppia elica del DNA nella regione del sito di terminazione lo rende accessibile al fattore di terminazione. La sintesi dell'RNA è completata
Riso. 4-30. passaggi di trascrizione. 1 - vincolo del fattore TATA al promotore. Affinché il promotore sia riconosciuto dalla RNA polimerasi, deve essere formato il complesso di trascrizione TATA-factor/TATA-box (promotore). Il fattore TATA rimane associato alla scatola TATA durante la trascrizione, il che facilita l'uso del promotore da parte di molte molecole di RNA polimerasi; 2 - formazione di un fork di trascrizione; 3 - allungamento; 4.- risoluzione.
sezioni rigorosamente definite della matrice - terminatori (siti di cessazione). Il fattore di terminazione facilita la separazione della trascrizione primaria (pre-mRNA), complementare alla matrice e RNA polimerasi dalla matrice. L'RNA polimerasi può entrare nel ciclo di trascrizione successivo dopo l'attacco della subunità σ.
B. Modifica covalente (elaborazione) dell'RNA messaggero
I trascritti di mRNA primari subiscono una serie di modifiche covalenti prima di essere utilizzati nella sintesi proteica. Queste modifiche sono necessarie affinché l'mRNA funzioni come modello.
Modifica 5"-estremità
Le modifiche del pre-mRNA iniziano nella fase di allungamento. Quando la lunghezza della trascrizione primaria raggiunge circa 30 residui nucleotidici, tappatura la sua estremità 5". Il capping è effettuato dalla guanilil transferasi. L'enzima idrolizza il legame macroergico nella molecola GTP e attacca il residuo nucleotidico difosfato con un gruppo fosfato da 5" all'estremità 5" del frammento di RNA sintetizzato con il formazione di un legame 5", 5"-fosfodiestere. La successiva metilazione del residuo di guanina in composizione di GTP con la formazione di N 7 -metilguanosina completa la formazione del cappuccio (Fig. 4-31).
Riso. 4-31. Modifica covalente dei residui nucleotidici terminali del trascritto primario dell'mRNA.
L'estremità 5' modificata fornisce l'inizio della traduzione, allunga la vita dell'mRNA, proteggendolo dall'azione delle 5'-esonucleasi nel citoplasma. Il capping è necessario per avviare la sintesi proteica, poiché le triplette iniziali AUG, GUG sono riconosciute dal ribosoma solo se è presente un cap. La presenza di un cappuccio è necessaria anche per il funzionamento di un complesso sistema enzimatico che assicura la rimozione degli introni.
Modifica finale da 3".
Viene modificata anche l'estremità 3' della maggior parte delle trascrizioni sintetizzate dall'RNA polimerasi II, in cui una sequenza poliA (coda di poliA) costituita da 100-200 residui di acido adenilico è formata da uno speciale enzima poliA polimerasi.
Il segnale per l'inizio della poliadenilazione è la sequenza -AAUAAA- sul filamento di RNA in crescita. L'enzima poliA polimerasi, che esibisce attività esonucleasica, rompe il legame 3 "-fosfoestere dopo la comparsa della sequenza specifica -AAUAAA- nella catena dell'RNA. All'estremità 3" al punto di rottura, la poliA polimerasi forma una coda di poliA. La presenza di una sequenza poliA all'estremità 3" facilita il rilascio di mRNA dal nucleo e ne rallenta l'idrolisi nel citoplasma.
Gli enzimi di caching e poliadenilazione si legano selettivamente all'RNA polimerasi II e sono inattivi in assenza di polimerasi.
Splicing di trascritti di mRNA primari
Con l'avvento di metodi che consentono di studiare la struttura primaria delle molecole di mRNA nel citoplasma e la sequenza nucleotidica del DNA genomico che lo codifica, si è scoperto che non sono complementari e la lunghezza del gene è diverse volte maggiore della mRNA "maturo". Le sequenze nucleotidiche presenti nel DNA ma non nell'mRNA maturo sono state definite non codificanti o introni e le sequenze presenti nell'mRNA stanno codificando, o esoni. Pertanto, il trascritto primario è un acido nucleico (pre-mRNA) strettamente complementare allo stampo, contenente sia esoni che introni. La lunghezza degli introni varia da 80 a 1000 nucleotidi. Le sequenze di introni sono "ritagliate" dalla trascrizione primaria, le estremità degli esoni sono collegate tra loro. Questa modifica dell'RNA è chiamata "impiombatura"(dall'inglese, per unire- giunzione). Lo splicing si verifica nel nucleo e l'mRNA "maturo" entra nel citoplasma.
I geni eucariotici contengono più introni che esoni, quindi molecole di pre-mRNA molto lunghe (circa 5000 nucleotidi) dopo lo splicing si trasformano in molecole di mRNA citoplasmatiche più corte (da 500 a 3000 nucleotidi).
Il processo di "taglio" degli introni procede con la partecipazione di piccole ribonucleoproteine nucleari (snRNP). L'snRNP è composto da un piccolo RNA nucleare (snRNA), la cui catena nucleotidica è legata a una spina dorsale proteica costituita da diversi protomeri. Vari snRNP sono coinvolti nello splicing (Fig. 4-32).
Le sequenze nucleotidiche dei nitroni sono funzionalmente inattive. Ma alle estremità 5'- e 3', hanno sequenze altamente specifiche - rispettivamente AGGU- e GAGG- (siti di splicing), che assicurano la loro rimozione dalla molecola del pre-mRNA. La modifica della struttura di queste sequenze influisce sul processo di giunzione.
Nella prima fase del processo, gli snRNP si legano a sequenze specifiche della trascrizione primaria (siti di splicing), quindi altri snRNP si uniscono a loro. Durante la formazione della struttura dello spliceosoma, l'estremità 3' di un esone si avvicina all'estremità 5' dell'esone successivo. Lo spliceosoma catalizza la reazione di scissione del legame 3",5"-fosfodiestere al confine dell'esone con l'introne. La sequenza di introni viene rimossa e i due esoni vengono uniti. La formazione di un legame 3",5"-fosfodiestere tra due esoni è catalizzata da snRNA (piccoli RNA nucleari) che fanno parte della struttura dello spliceosoma. Come risultato dello splicing, le molecole di mRNA "mature" sono formate da trascritti di mRNA primari.
Splicing alternativo di trascrizioni primarie mPNE
Per alcuni geni sono state descritte vie alternative di splicing e poliadenilazione per la stessa trascrizione. Un esone di una variante di splicing può essere un introne in un percorso alternativo, quindi le molecole di mRNA formate come risultato dello splicing alternativo differiscono nell'insieme di esoni. Ciò porta alla formazione di diversi mRNA e, di conseguenza, diverse proteine da un trascritto primario. Pertanto, nelle cellule parafollicolari della tiroide (Fig. 4-33), durante la trascrizione del gene dell'ormone della calcitonina (vedi Sezione 11), si forma un trascritto primario di mRNA, che consiste di sei esoni. L'RNA messaggero calcitonina si forma unendo i primi quattro esoni (1-4). L'ultimo (quarto) esone contiene un segnale di poliadenilazione (sequenza -AAUAAA-) riconosciuto dalla poliA polimerasi nelle cellule parafollicolari della tiroide. La stessa trascrizione primaria nelle cellule cerebrali durante un'altra (alternativa)
Riso. 4-32. Splicing dell'RNA. Il processo di splicing coinvolge vari snRNP che formano lo spliceosoma. Gli snRNP, interagendo con l'RNA e tra loro, fissano e orientano i gruppi di reazione del trascritto primario. La funzione catalitica degli spliceosomi è dovuta ai componenti dell'RNA; tali RNA sono chiamati ribozimi.
Riso. 4-33. Splicing alternativo del gene della calcitonina. Nelle cellule tiroidee, lo splicing del trascritto primario porta alla formazione dell'mRNA della calcitonina, che comprende 4 esoni e una sequenza poliA, che si forma dopo la scissione del trascritto nella prima regione del segnale di poliadenilazione. Nelle cellule cerebrali, si forma mRNA contenente: esoni 1, 2, 3, 5, 6 e una sequenza poliA formata dopo il secondo segnale di poliadenilazione.
Il percorso di splicing viene convertito in mRNA per una proteina simile alla calcitonina responsabile della percezione del gusto. L'RNA messaggero di questa proteina è costituito dai primi tre esoni, che sono comuni con l'mRNA della calcitonina, ma include inoltre il quinto e il sesto esone, che non sono caratteristici dell'mRNA della calcitonina. Il sesto esone ha anche un segnale di poliadenilazione -AAUAAA-, riconosciuto dall'enzima poliA polimerasi nelle cellule del tessuto nervoso. La scelta di una delle vie (splicing alternativo) e di uno dei possibili siti di poliadenilazione gioca un ruolo importante nell'espressione genica tessuto-specifica.
Diverse varianti di splicing possono portare alla formazione di diverse isoforme della stessa proteina. Ad esempio, il gene della troponina è costituito da 18 esoni e codifica per numerose isoforme di questa proteina muscolare. Diverse isoforme di troponina si formano in diversi tessuti in determinate fasi del loro sviluppo.
B. Elaborazione dei trascritti primari dell'RNA ribosomiale e dell'RNA di trasferimento
I geni che codificano per la maggior parte degli RNA strutturali sono trascritti dalle RNA polimerasi I e III. Gli acidi nucleici - precursori di rRNA e tRNA - subiscono la scissione e la modifica chimica (elaborazione) nel nucleo.
Modifiche post-trascrizionali del trascritto del tRNA primario (elaborazione del tRNA)
La trascrizione primaria del tRNA contiene circa 100 nucleotidi e, dopo l'elaborazione, 70-90 residui di nucleotidi. Le modifiche post-trascrizionali dei trascritti di tRNA primari si verificano con la partecipazione delle RNasi (ribonucleasi). Pertanto, la formazione dell'estremità 3' del tRNA è catalizzata dalla RNasi, che è una esonucleasi 3' che "taglia" un nucleotide fino a raggiungere la sequenza -SSA, lo stesso per tutti i tRNA. Per alcuni tRNA, la formazione della sequenza -CCA all'estremità 3 "(estremità accettore) avviene come risultato dell'aggiunta sequenziale di questi tre nucleotidi. Il pre-tRNA contiene un solo introne, costituito da 14-16 nucleotidi. Rimozione di l'introne e lo splicing portano alla formazione di una struttura chiamata "anticodone",- una tripletta di nucleotidi che assicura l'interazione del tRNA con il codone complementare dell'mRNA durante la sintesi proteica (Fig. 4-34).
Modifiche post-trascrizionali (elaborazione) del trascritto di rRNA primario. Formazione di ribosomi
Le cellule umane contengono circa un centinaio di copie del gene rRNA, localizzato in gruppi su cinque cromosomi. I geni dell'rRNA vengono trascritti dalla RNA polimerasi I per produrre trascrizioni identiche. I trascritti primari sono lunghi circa 13.000 residui nucleotidici (45S rRNA). Prima di lasciare il nucleo come parte di una particella ribosomiale, la molecola di 45 S rRNA subisce un'elaborazione, con conseguente formazione di 28S rRNA (circa 5000 nucleotidi), 18S rRNA (circa 2000 nucleotidi) e 5,88 rRNA (circa 160 nucleotidi), che sono componenti ribosomi (Figura 4-35). Il resto della trascrizione è degradato nel nucleo.
Riso. 4-34. Elaborazione pre-tRNA. Alcune basi azotate di nucpeotidi di tRNA vengono metilate durante l'elaborazione dall'RNA metilasi e convertite, ad esempio, in 7-metilguanosina e 2-metilguanosina (basi minori). La molecola del tRNA contiene anche altre basi insolite: pseudouridina, diidrouridina, anch'esse modificate durante l'elaborazione.
Riso. 4-35. Formazione ed uscita dal nucleo di subunità ribosomiali. Come risultato dell'elaborazione, dalla molecola precursore dell'rRNA 45S si formano tre tipi di rRNA: 18S, che fa parte della piccola subunità dei ribosomi, e 28S e 5.8S, che sono localizzati nella subunità grande. Tutti e tre gli rRNA sono prodotti in quantità uguali poiché provengono dalla stessa trascrizione primaria. L'rRNA 5S della subunità grande del ribosoma viene trascritto separatamente dal trascritto dell'rRNA 45S primario. Gli RNA ribosomiali, formati durante le modifiche post-trascrizionali, si legano a proteine specifiche e si forma un ribosoma.
Il ribosoma è un organello cellulare coinvolto nella sintesi proteica. Il ribosoma eucariotico (80S) è costituito da due subunità, grande e piccola: 60S e 40S. Le proteine del ribosoma svolgono funzioni strutturali, regolatorie e catalitiche.
In biologia, i processi di trascrizione e traduzione sono considerati nell'ambito della biosintesi proteica. Sebbene nel processo di trascrizione, non si verifica alcuna sintesi proteica. Ma senza di essa, la traduzione (cioè la sintesi proteica diretta) è impossibile. La trascrizione precede la traduzione.
La trascrizione e la traduzione che avvengono nelle cellule sono coerenti con il cosiddetto dogma della biologia molecolare (proposto da F. Crick a metà del XX secolo): il flusso di informazioni nelle cellule va nella direzione degli acidi nucleici (DNA e RNA ) alle proteine, ma mai viceversa (cioè dalle proteine agli acidi nucleici). Ciò significa che un acido nucleico può fungere da matrice di informazioni per la sintesi proteica, ma una proteina non può agire come tale per la sintesi di acido nucleico.
La trascrizione è la sintesi di una molecola di RNA su una molecola di DNA. Cioè, il DNA funge da modello per la sintesi dell'RNA.
La trascrizione è catalizzata da numerosi enzimi, il più importante è l'RNA polimerasi. Va ricordato che gli enzimi sono per lo più proteine (questo vale anche per la RNA polimerasi).
L'RNA polimerasi si muove lungo il doppio filamento di DNA, separa i filamenti e su uno di essi, secondo il principio di complementarità, costruisce una molecola di RNA dai nucleotidi che galleggiano nel nucleo. Pertanto, l'RNA è essenzialmente identico a una sezione di un altro filamento di DNA (su cui non avviene la sintesi), poiché anche i filamenti di una molecola di DNA sono complementari tra loro. Solo nell'RNA la timina è sostituita dall'uracile.
La sintesi degli acidi nucleici avviene nella direzione dall'estremità 5' delle molecole alla loro estremità 3'. In questo caso le catene complementari sono sempre antiparallele (dirette verso lati diversi). Pertanto, l'RNA stesso viene sintetizzato nella direzione 5" → 3", ma si muove lungo la catena del DNA nella sua direzione 3" → 5".
La sezione di DNA su cui avviene la trascrizione (trascritto, operone) è composta da tre parti: un promotore, un gene (nel caso dell'mRNA, in genere, la parte trascritta) e un terminatore.
Per avviare (iniziare) la trascrizione, sono necessari vari fattori proteici che si attaccano al promotore, dopodiché l'RNA polimerasi può essere attaccata al DNA.
La terminazione (fine) della trascrizione si verifica dopo che l'RNA polimerasi incontra uno dei codoni di stop.
Nelle cellule eucariotiche, la trascrizione avviene nel nucleo. Dopo la sintesi, le molecole di RNA subiscono qui la maturazione (ne vengono ritagliate sezioni non necessarie, le molecole assumono la struttura secondaria e terziaria ad esse corrispondente). Ulteriore tipi diversi Gli RNA entrano nel citoplasma, dove partecipano al processo successivo dopo la trascrizione - traduzione.
La traduzione è la sintesi di una catena polipeptidica (proteina) su una molecola di RNA informativo (è anche matrice). In un altro modo, la traduzione può essere descritta come la traduzione di informazioni codificate utilizzando nucleotidi (triplette-codoni) in informazioni presentate come una sequenza di amminoacidi. Questo processo procede con la partecipazione dei ribosomi (che includono l'RNA ribosomiale) e l'RNA di trasferimento. Pertanto, tutti e tre i principali tipi di RNA sono coinvolti nella sintesi proteica diretta.
Durante la traduzione, i ribosomi sono montati all'inizio della catena di mRNA e poi si muovono lungo di essa verso la sua estremità. È qui che avviene la sintesi proteica.
All'interno del ribosoma, ci sono due "slot" in cui possono adattarsi due tRNA. Gli RNA di trasferimento che entrano nel ribosoma trasportano un amminoacido. All'interno del ribosoma, la catena polipeptidica sintetizzata è attaccata all'amminoacido appena arrivato associato al tRNA. Successivamente, questo tRNA si sposta in un altro "posto" e il "vecchio" tRNA, già libero dalla catena polipeptidica in crescita, viene rimosso da esso. Un altro tRNA con un amminoacido arriva nel luogo lasciato libero. E il processo si ripete.
Il centro attivo del ribosoma catalizza la formazione di un legame peptidico tra l'amminoacido appena arrivato e il sito proteico precedentemente sintetizzato.
Due codoni (solo 6 nucleotidi) di mRNA sono posti nel ribosoma. Gli anticodoni del tRNA che entrano nel ribosoma devono essere complementari ai codoni su cui "siede" il ribosoma. Differenti amminoacidi corrispondono a differenti tRNA (che differiscono nei loro anticodoni).
Pertanto, ogni tRNA trasporta il proprio amminoacido. Va tenuto presente che ci sono solo circa 20 aminoacidi coinvolti nella biosintesi delle proteine e ci sono circa 60 codoni di senso (che denotano aminoacidi). Pertanto, tRNA diversi possono trasportare lo stesso amminoacido, ma i loro anticodoni corrispondono allo stesso amminoacido.
La trascrizione è il processo di sintesimolecoleRNA accesoluogoDNA usato come matrice. Lo scopo della trascrizione è trasferimento di informazioni genetiche dal DNA all'RNA.
La molecola del DNA è costituita da due catene complementari, mentre l'RNA è costituito da una sola. Durante la trascrizione, solo uno dei filamenti di DNA funge da modello per la sintesi dell'RNA. La chiamano catena semantica. Un'eccezione è il DNA mitocondriale, in cui entrambi i filamenti sono filamenti sensoriali e contengono geni diversi. Oltre a un'eccezione sul DNA nucleare, alcuni geni possono essere localizzati su un filamento privo di senso.
Durante la trascrizione, la molecola di RNA viene sintetizzata nella direzione dall'estremità 5" alla 3" (che è naturale per la sintesi di tutti gli acidi nucleici), mentre lungo la catena del DNA la sintesi procede in direzione inversa: 3"→5".
Negli eucarioti, ogni gene viene trascritto separatamente. Ancora una volta, l'eccezione è il DNA mitocondriale, che viene trascritto in un trascritto multigene comune, che viene poi tagliato. Poiché nei procarioti i geni formano gruppi, formando un operone, tali geni vengono trascritti insieme. Comunque trascrizione chiamato segmento di DNA costituito da un promotore, una regione trascritta e un terminatore.
Ci sono 3 fasi nella trascrizione: inizio, allungamento, terminazione.
Iniziazione la trascrizione consente l'inizio della sintesi della molecola di RNA. L'inizio comporta l'attaccamento di un complesso enzimatico al promotore. Il principale è l'RNA polimerasi questo caso DNA-dipendente), che, a sua volta, è costituito da diverse subunità proteiche e svolge il ruolo di catalizzatore per il processo. Negli eucarioti, l'inizio della trascrizione è influenzato da speciali regioni del DNA: potenziatori (rafforzare) e silenziatori (soppressione), che di solito sono a una certa distanza dal gene stesso. Ci sono vari fattori proteici che influenzano la capacità di avviare la trascrizione.
I procarioti hanno un solo tipo di RNA polimerasi, mentre gli eucarioti ne hanno tre. L'RNA polimerasi-1 viene utilizzata per sintetizzare tre tipi di RNA ribosomiale (ci sono 4 tipi di rRNA in totale). L'RNA polimerasi-2 viene utilizzata per sintetizzare l'RNA del pre-mRNA (precursore del messaggero). L'RNA polimerasi-3 sintetizza uno dei tipi di RNA ribosomiale, trasporto e piccolo nucleare.
L'RNA polimerasi è in grado di riconoscere determinate sequenze nucleotidiche e si lega ad esse. Queste sequenze sono brevi e universali per tutti gli esseri viventi.
Dopo che l'RNA polimerasi si lega al promotore, una sezione della doppia elica del DNA si svolge e i legami nucleotidici tra le catene di questa sezione vengono rotti. Circa 18 paia di basi non sono attorcigliate.
Sul palco allungamento c'è un attaccamento sequenziale secondo il principio di complementarità dei nucleotidi liberi al sito del DNA rilasciato. L'RNA polimerasi unisce i nucleotidi in una catena poliribonucleotidica.
Durante la sintesi dell'RNA, circa 12 dei suoi nucleotidi sono temporalmente complementari ai nucleotidi del DNA. Quando la RNA polimerasi si muove davanti ad essa, le catene del DNA divergono e da dietro vengono "cucite insieme" con l'aiuto di enzimi. La catena dell'RNA cresce gradualmente e si sposta fuori dal complesso della RNA polimerasi.
Esistono fattori di allungamento che impediscono l'interruzione prematura della trascrizione.
Cessazione Il processo di trascrizione avviene nella regione del terminatore, che è riconosciuta dalla RNA polimerasi a causa di speciali fattori di terminazione delle proteine.
Molti nucleotidi di adenina (poli-A) sono attaccati all'estremità da 3" della molecola di RNA sintetizzata per prevenirne la degradazione enzimatica. Anche prima, quando è stata sintetizzata l'estremità da 5", il cosiddetto cap.
Nella maggior parte dei casi, la trascrizione non si traduce in RNA finito. L'RNA "grezzo" deve ancora passare attraverso il processo in lavorazione, in cui si verifica la sua modifica e diventa funzionalmente attivo. Ogni tipo di RNA eucariotico subisce le proprie modifiche. La formazione di poli-A e cappuccio viene spesso definita anche lavorazione.
