§ 21. Реализация генетической информации: биосинтез и созревание РНК

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК подбираются по принципу комплементарности: А ДНК соответствует У РНК, Т — А, Г — Ц, Ц — Г. В отличие от репликации, транскрипция копирует отдельный участок и создаёт РНК, а не вторую молекулу ДНК.

РНК-полимераза — фермент, который распознаёт участок начала транскрипции и присоединяет рибонуклеотиды к растущей цепи РНК. Она выбирает матричную цепь ДНК, временно раздвигает её нити и соединяет новые нуклеотиды. Благодаря этому информация переписывается в нужной последовательности.

Первичный транскрипт — первоначальная молекула РНК, синтезированная по матрице ДНК до созревания. У эукариот она может содержать участки, которых не будет в зрелой РНК, например интроны. Поэтому первичный транскрипт ещё не всегда пригоден для участия в синтезе белка.

Сплайсинг — удаление интронов из первичного транскрипта и соединение экзонов при созревании РНК. Интроны — промежуточные участки, а экзоны сохраняются в зрелой молекуле. Такой процесс позволяет получить правильную последовательность РНК для её дальнейшей работы.

Как это устроено

ДНК служит матрицей, потому что её последовательность хранит порядок нуклеотидов, необходимый для создания РНК. РНК-полимераза считывает одну цепь, а правила комплементарности превращают этот порядок в последовательность нового транскрипта. Так генетическая информация временно переносится с ДНК на РНК, не подвергая исходную молекулу изменениям.

Транскрипция начинается после связывания РНК-полимеразы с участком начала гена, который задаёт место и направление работы фермента. Затем полимераза движется вдоль матричной цепи и добавляет рибонуклеотиды к 3′-концу РНК, поэтому новая цепь растёт в направлении 5′→3′. На сигнале окончания фермент прекращает синтез и освобождает транскрипт.

У эукариот первичная РНК-предшественница матричной РНК должна пройти обработку, потому что сразу после синтеза содержит как нужные, так и удаляемые участки. К её концам добавляются защитные структуры, которые повышают устойчивость молекулы и помогают клетке распознать её. После такой обработки РНК становится готовой к дальнейшему перемещению и использованию.

При сплайсинге из первичного транскрипта удаляются интроны, а экзоны соединяются в непрерывную цепь. Это необходимо, чтобы рибосома получила последовательность без лишних вставок и смогла правильно прочитать информацию о белке. Изменения последовательности или обработки РНК могут изменить итоговую информацию и свойства белка.

Транскрипция образует не только матричные РНК, поскольку разные гены задают разные клеточные задачи. Транспортные РНК после созревания приобретают форму для переноса аминокислот, а рибосомные РНК становятся частью рибосом. Поэтому реализация генетической информации требует согласованной работы нескольких видов РНК.

Виды РНК: образование, созревание и функции

В таблице сравниваются три основных типа РНК по этапам их образования и роли в клетке. Для ответа на вопрос сначала найдите нужную строку, а затем сопоставьте сведения в трёх столбцах. Так легче увидеть, что общий принцип синтеза сочетается с разными функциями зрелых молекул.

Разбор задач

Задача 1

Для фрагмента матричной цепи ДНК АТГ–ЦЦА–ГТА запишите комплементарный фрагмент РНК. Нужно учитывать, что РНК строится по матричной цепи, а тимин в её составе не используется. Поэтому каждую букву ДНК заменяем парным рибонуклеотидом.

1. А матричной ДНК соответствует У РНК, Т — А, Г — Ц, Ц — Г.
2. Для АТГ получаем УАЦ, для ЦЦА — ГГУ, для ГТА — ЦАУ.
3. Объединяем фрагменты в исходном порядке.

Ответ: УАЦ–ГГУ–ЦАУ.

Задача 2

Первичный транскрипт имеет порядок: экзон 1 — интрон 1 — экзон 2 — интрон 2 — экзон 3. Требуется записать участки зрелой матричной РНК после сплайсинга. При обработке сохраняются экзоны, а промежуточные интроны удаляются.

1. Отмечаем участки, которые должны быть вырезаны: интрон 1 и интрон 2.
2. Сохраняем экзон 1, экзон 2 и экзон 3.
3. Соединяем оставшиеся экзоны в том же порядке.

Ответ: экзон 1 — экзон 2 — экзон 3.

Задача 3

Кодирующая цепь ДНК имеет последовательность 5′-АТГЦЦАТТТ-3′. Нужно записать матричную цепь и соответствующую РНК, не нарушив антипараллельность цепей. Сначала строим цепь, комплементарную кодирующей, затем получаем РНК, совпадающую с кодирующей по смыслу.

1. Для кодирующей цепи 5′-АТГЦЦАТТТ-3′ матричная цепь будет 3′-ТАЦГГТААА-5′.
2. Считываем матричную цепь в направлении 3′→5′, поэтому РНК синтезируется 5′→3′.
3. Заменяем тимин кодирующей цепи на урацил в соответствующей РНК.

Ответ: матричная цепь 3′-ТАЦГГТААА-5′; РНК 5′-АУГЦЦАУУУ-3′.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что РНК синтезируется по обеим цепям ДНК одновременно. Для одного транскрипта матрицей служит только одна цепь, иначе возникли бы разные комплементарные копии. Проверьте, указана ли в условии конкретная матричная цепь и направление её записи.

Ошибка — записывать в РНК тимин вместо урацила. Её допускают по привычке, перенося правила для ДНК без изменений. Проверьте каждую пару: напротив аденина ДНК в РНК должен стоять урацил.

Ошибка — путать кодирующую цепь с матричной. Матричная цепь считывается ферментом, а последовательность РНК совпадает по смыслу с кодирующей, только Т заменён на У. Для проверки запишите обе цепи ДНК антипараллельно и сравните РНК с кодирующей.

Ошибка — считать, что сплайсинг удаляет экзоны. При обычном созревании удаляются интроны, а экзоны соединяются в единую последовательность. Проверьте результат: в зрелой матричной РНК должны остаться экзоны в исходном порядке.

Связь с другими темами

До изучения транскрипции нужно знать строение ДНК и РНК, различия между их нуклеотидами и принцип комплементарности. Эти знания позволяют правильно определить матричную цепь и построить последовательность РНК. Без них легко перепутать тимин с урацилом.

Тема связывает ген и белок: транскрипция создаёт РНК, а трансляция использует её информацию для сборки белковой молекулы. Поэтому понимание направления синтеза и кодонов понадобится при изучении биосинтеза белка. Нарушение любого этапа может изменить результат работы гена.

Созревание РНК помогает объяснить регуляцию работы генов и различия между прокариотами и эукариотами. У эукариот обработка транскрипта отделяет его от места синтеза в ядре и регулирует готовность к работе. Разные варианты обработки могут влиять на набор образующихся белков.

Что запомнить

• Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК.
• РНК-полимераза присоединяет рибонуклеотиды к растущей цепи.
• Для одного транскрипта матрицей служит одна цепь ДНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• У эукариот первичная матричная РНК проходит созревание.
• При сплайсинге интроны удаляются, а экзоны соединяются.
• Матричная, транспортная и рибосомная РНК выполняют разные функции.