Биосинтез РНК (транскрипция)

Синтез РНК можно представить схемой:

ДНК-матрица

кАТФ + IУТФ + т ГТФ + п ЦТФ РНК + (к+I+т+п) Н₄Р₂О₇

Субстратами реакции служат трифосфаты рибонуклеозидов, синтез РНК требует энергетических затрат. Реакция идет только в присутст­вии ДНК, одна из цепей которой служит матрицей. Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру, комплементарную матрице. Поскольку РНК являются одноцепочечными молекулами, то стехиометрические ко­эффициенты для всех четырех субстратов различны. Транскрипция ката­лизируется ферментом РНК-полимеразой. Сущность действия его заклю­чается в следующем. Фермент присоединяется к матрице на определен­ном участке, называемом промоторным. В результате этого происходит локальное расхождение нуклеотидных цепей ДНК в данном участке; одна из цепей служит матрицей.

Биосинтез молекулы РНК осуществляется в результате переме­щения РНК-полимеразы вдоль ДНК и происходит путем присоединения очередного рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибонуклеотиду ДНК, который в данный момент находится в области активного цен­тра РНК-полимеразы. В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется по­следовательность нуклеотидов (терминирующий кодон), достигнув ко­торого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК. Та­ким образом получаются молекулы РНК, каждая из которых содержит информацию одного гена. Синтез РНК идет в направлении 5'→3´, и РНК имеет противоположную ДНК полярность цепи. По мере освобождения промоторного участка к нему могут присоединяться новые молекулы РНК-полимеразы, так что ген может транскрибироваться одновременно боль­шим количеством молекул фермента. Все образующиеся молекулы РНК, синтезируемые на одной и той же матрице, комплементарны этой матри­це и идентичны друг другу.

Все типы РНК (рРНК, тРНК, мРНК) синтезируются сходным обра­зом. Поэтому для любой молекулы РНК, имеющейся в организме, можно найти участок ДНК, которому она комплементарна. Все типы РНК участ­вуют в биосинтезе белков, но их функции в этом процессе различны (см. табл. 5). Роль матрицы, определяющей первичную структуру белков, вы­полняют матричные РНК (мРНК).

Любопытно, что в ДНК эукариот (организмы, клетки которых содержат ядро, в том числе и человека) имеется большое количество нетранскрибируемых участков: на их долю приходится более половины всей ДНК; их роль в организме пока неизвестна.

В результате транскрипции образуются предшественники тРНК, рРНК и мРНК, затем в ядре происходит их доработка (созревание, процессинг), и получаются функционально активные РНК. Предшественники обычно имеют избыточные участки по концам нуклеотидной цепи, кото­рые при созревании отщепляются специфическими РНК-азами.

Созревание мРНК имеет ряд особенностей. Оказалось, что ген (представленный ДНК) имеет мозаичную структуру, содержащую наряду с кодирующими участками (экзоны) участки, не несущие структурной ин­формации (интроны). При транскрипции образуется РНК, которая содер­жит участки, комплементарные как экзонам, так и интронам. Далее этот первичный транскрипт в ходе созревания удаляет фрагменты, соответст­вующие интронам, а структурные части, соответствующие экзонам, со­единяются (сплайсинг) и образуется мРНК.

Безматричный синтез РНК

Помимо РНК-полимеразы в клетках есть другой фермент, с по­мощью которого можно синтезировать РНК in vitro (в неживой природе) - это полинуклеотифосфорилаза. В живой клетке этот фермент ката­лизирует фосфоролиз 3',5'-фосфодиэфирных связей в молекуле РНК, продуктами реакции являются нуклеозиддифосфаты:

РНК + (k + I + m+n)Н₃Р0₄ ↔ kАДФ + I УДФ + mГДФ + nЦДФ.

Реакция обратима, поэтому при проведении ее in vitro в условиях избытка нуклеозиддифосфатов она идет в направлении синтеза РНК. При этом не требуется никакой матрицы, а последовательность соединения нуклео­тидных остатков в цепь РНК является случайной. В этом состоит прин­ципиальное отличие матричных синтезов от безматричных.