§ 32. Биосинтез белков. Транскрипция

Определения и обозначения

Транскрипция — это синтез молекулы РНК на матрице ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК служит образцом для построения РНК по принципу комплементарности. Транскрипция позволяет использовать информацию отдельного гена, не изменяя саму ДНК.

РНК-полимераза — фермент, который распознаёт нужный участок ДНК и соединяет РНК-нуклеотиды в цепь. Фермент раскрывает небольшой участок двойной спирали и движется по матричной цепи. Благодаря ему копирование происходит в заданном месте и с правильным подбором нуклеотидов.

Промотор — участок ДНК, с которого начинается транскрипция и к которому присоединяется РНК-полимераза. Он расположен перед транскрибируемой областью и помогает ферменту найти нужный ген. Без распознавания промотора синтез мог бы начаться не в том месте или идти в неверном направлении.

Терминация — завершение синтеза РНК после того, как фермент достигает особого участка ДНК. РНК-полимераза прекращает удлинение цепи и отделяется от ДНК. Так образовавшаяся молекула РНК освобождается для дальнейших процессов в клетке.

Как это устроено

Две цепи ДНК соединены водородными связями между комплементарными основаниями, поэтому для считывания информации их нужно временно разъединить. РНК-полимераза раскрывает лишь небольшой участок спирали, а не всю молекулу, — это сохраняет устойчивость ДНК и даёт ферменту доступ к нужным основаниям. Матрицей становится одна из цепей, а вторая в данном процессе непосредственно не копируется.

Начало работы задаёт промотор: его особенности распознаются РНК-полимеразой и, у эукариот, вспомогательными белками. Такое распознавание позволяет выбрать, где начать считывание, и установить направление движения фермента по ДНК. Какая именно цепь будет матричной, зависит от ориентации промотора относительно гена.

Во время сборки РНК каждый новый нуклеотид подбирается к основанию матричной цепи. Напротив аденина ДНК включается урацил, напротив тимина — аденин, напротив гуанина — цитозин, а напротив цитозина — гуанин. Поэтому РНК комплементарна матричной цепи и почти совпадает с кодирующей цепью, но в ней вместо тимина находится урацил.

При элонгации РНК-полимераза последовательно присоединяет нуклеотиды к растущей цепи, продвигаясь вдоль матрицы. РНК образуется в направлении 5′→3′, а достигнув участка терминации, фермент завершает синтез и отделяет транскрипт. У эукариот первичный транскрипт проходит созревание: из него удаляются некоторые участки, а на концах добавляются специальные структуры; зрелая иРНК затем выходит из ядра.

Транскрипция и репликация используют ДНК как матрицу и основаны на комплементарности, но задачи у них разные. При репликации копируется вся молекула ДНК, чтобы перед делением клетки обе дочерние клетки получили наследственный материал. При транскрипции копируется отдельный участок — ген, а продуктом становится РНК, нужная для реализации информации или выполнения других клеточных функций.

Основные этапы транскрипции

В таблице удобно прослеживать, как меняется задача фермента от начала до завершения синтеза. Созревание показано отдельно, потому что оно происходит уже после образования первичного транскрипта и не является этапом работы РНК-полимеразы. При разборе конкретного примера сначала определите цепь-матрицу, а затем проверьте направление и комплементарность.

Разбор задач

Задача 1. Для фрагмента кодирующей цепи ДНК 5′-АТГЦЦА-3′ запишите последовательность РНК, синтезируемой с него. Здесь дана именно кодирующая цепь, а значит, она не служит матрицей для фермента. Удобнее сразу воспользоваться соответствием между кодирующей цепью и иРНК.

1. Запишите кодирующую цепь: 5′-АТГЦЦА-3′.
2. Сохраните последовательность и направление 5′→3′, заменив в РНК тимин на урацил.
3. Получите 5′-АУГЦЦА-3′.

Ответ: 5′-АУГЦЦА-3′. Если бы дана матричная цепь, потребовалось бы подбирать комплементарные основания и учитывать её направление.

Задача 2. Дана матричная цепь ДНК 3′-ТАЦГГТ-5′. Запишите последовательность иРНК и укажите её направление. Здесь нельзя просто переписать последовательность: матрица комплементарна РНК, а цепи ориентированы противоположно. РНК-полимераза синтезирует продукт только в направлении 5′→3′.

1. Расположите основания РНК напротив матрицы: Т→А, А→У, Ц→Г, Г→Ц.
2. Запишите комплементарные основания в направлении, соответствующем синтезу: АУГЦЦА.
3. Укажите направление цепи РНК: 5′→3′.

Ответ: иРНК 5′-АУГЦЦА-3′. Проверка проста: каждое основание РНК комплементарно соответствующему основанию матрицы, а концы цепей направлены противоположно.

Задача 3. Участок ДНК содержит промотор, транскрибируемую область и участок терминации. Нужно определить матричную цепь, составить РНК для заданного фрагмента и объяснить судьбу первичного транскрипта у эукариот. Если последовательность самого фрагмента не приведена, получить конкретную последовательность РНК нельзя; зато можно определить порядок действий. Ориентация промотора помогает установить направление транскрипции.

1. Проследите направление от промотора к участку терминации: по нему РНК-полимераза движется вдоль гена.
2. Определите цепь, которую фермент считывает в направлении 3′→5′; это матричная цепь.
3. Составьте РНК комплементарно матрице, записывая её 5′→3′ и используя У вместо Т.
4. Для эукариот укажите, что первичный транскрипт созревает: из него удаляются отдельные участки, к концам добавляются специальные структуры, затем иРНК выходит из ядра.

Ответ: матричной является цепь, которую РНК-полимераза считывает от промотора к терминации; последовательность РНК определяется по комплементарности. Для записи конкретных нуклеотидов необходима последовательность фрагмента ДНК.

Типичные ошибки

ИРНК записывают как комплементарную кодирующей цепи. Ошибка возникает, когда путают кодирующую цепь с матричной: РНК на самом деле комплементарна матричной. Проверка: сопоставьте иРНК с кодирующей цепью — они должны совпасть, если заменить Т на У.

Путают матричную и кодирующую цепи. Из-за этого ошибаются и в последовательности, и в направлении записи РНК. Такое смешение часто появляется, когда при решении не обращают внимания на обозначения 5′ и 3′. Сначала отметьте, какая цепь считывается, и проверьте, что она прочитана в направлении 3′→5′.

Ставят тимин в последовательность РНК. Это происходит, когда последовательность ДНК переписывают механически, не учитывая состав другой молекулы. В РНК вместо тимина используется урацил, который включается напротив аденина матричной ДНК. Проверьте, что в итоговой записи РНК нет буквы Т.

Считают первичный транскрипт готовой иРНК у эукариот. Первичная РНК ещё может содержать участки, которые должны быть удалены, и нести необходимые для зрелой молекулы структуры не на всех этапах. Ошибка появляется, если свойства бактериальной РНК автоматически переносят на эукариотическую. В ответе про эукариот укажите созревание транскрипта до выхода иРНК из ядра.

Связь с другими темами

Для понимания транскрипции нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотидов и принципе комплементарности. Транскрипция связывает хранение наследственной информации в ДНК с её использованием при биосинтезе белка: сначала информация переписывается в РНК, затем изучается трансляция. Понимание этого процесса помогает разбирать регуляцию активности генов и последствия мутаций, которые могут изменить последовательность РНК и белка.

Что запомнить

• Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК.
• Фермент транскрипции — РНК-полимераза.
• Начало транскрипции связано с промотором, а завершение — с участком терминации.
• РНК синтезируется в направлении 5′→3′.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• У эукариот первичный транскрипт иРНК проходит созревание.