Транскрипция и трансляция: подробное описание процессов синтеза РНК и белков

Транскрипция и трансляция являются двумя основными процессами, которые обеспечивают реализацию генетической информации, закодированной в ДНК. Транскрипция — это синтез молекулы РНК на основе матрицы ДНК, а трансляция — процесс синтеза белков на основе информации, закодированной в молекуле мРНК. Рассмотрим их подробно, включая все ключевые этапы и молекулы, участвующие в этих процессах.

Транскрипция

Транскрипция — это первый этап, на котором генетическая информация из ДНК переносится в РНК. Этот процесс проходит в ядре у эукариот и в цитоплазме у прокариот.

Основные этапы транскрипции:

1. Инициация Транскрипция начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к определённой последовательности ДНК, называемой промотором. Промотор обычно находится перед началом кодирующей области гена.
   У эукариот для правильного присоединения РНК-полимеразы требуются общие транскрипционные факторы, которые помогают распознать промотор.
   Примером основных регуляторных участков является TATA-бокс, находящийся в пределах промотора.
   Ключевую роль в разъединении двух цепочек ДНК играет фермент геликаза или хеликаза
2. Элонгация После инициации начинается синтез РНК. РНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК в направлении от 3'-конца к 5'-концу, синтезируя РНК в направлении от 5'-конца к 3'-концу.
   Комплементарность оснований играет ключевую роль: аденин в ДНК связывается с урацилом (U) в РНК, тимин — с аденином, гуанин — с цитозином, а цитозин — с гуанином. (Между аденином и тимином двойная водородная связь, а между цитозином и гуанином тройная)
3. Терминация Процесс заканчивается, когда РНК-полимераза достигает терминатора — специфической последовательности ДНК, сигнализирующей об окончании транскрипции.
   У прокариот терминация может быть зависимой или независимой от белка. У эукариот этот процесс регулируется дополнительными белками.
   

Обработка первичного транскрипта у эукариот:

Первичная РНК, синтезированная в процессе транскрипции, называется премен-РНК и нуждается в обработке перед использованием.

1. Кэпирование На 5'-конце молекулы РНК присоединяется 7-метилгуанозиновый кэп. КЭП с англиского как кепка, так как выполняет защитную роль. Этот процесс защищает мРНК от деградации и обеспечивает её распознавание рибосомой на стадии трансляции.
2. Сплайсинг Премен-РНК содержит экзоны (кодирующие участки) и интроны (некодирующие участки).
   С помощью сплайсосомы, состоящей из белков и малых ядерных РНК (snRNA), интроны удаляются, а экзоны сшиваются.
   Альтернативный сплайсинг позволяет одному гену кодировать несколько различных белков.
3. Полиаденилирование К 3'-концу мРНК добавляется поли(А)-хвост, состоящий из аденинов.
   Этот хвост стабилизирует мРНК и участвует в регуляции её экспорта из ядра.
4. Экспорт из ядра Обработанная мРНК экспортируется через ядерные поры в цитоплазму, где происходит трансляция.

Трансляция

Трансляция — это процесс синтеза белков на основе информации, закодированной в мРНК. Она происходит на рибосомах и состоит из трёх основных этапов: инициации, элонгации и терминации.

Основные этапы трансляции:

1. Инициация Рибосома распознаёт 5'-кэп мРНК и присоединяется к её старт-кодону (AUG).
   Метилтирозиновая тРНК (несущая аминокислоту метионин) связывается с этим кодоном.
   Малую субъединицу рибосомы дополняет большая, образуя полноценный рибосомный комплекс.
   
2. Элонгация Рибосома перемещается вдоль мРНК, считывая её последовательность в виде триплетов (кодонов).
   Каждому кодону соответствует определённая аминокислота, транспортируемая тРНК. Это обеспечивает генетический код.
   Аминокислоты соединяются пептидными связями с помощью фермента пептидилтрансферазы, образуя полипептидную цепь.
   
3. Терминация Трансляция завершается, когда рибосома достигает стоп-кодона (UAA, UAG или UGA).
   Белковые факторы терминации помогают освободить синтезированный белок от рибосомы.
   

Роль рибосомы

• Рибосома состоит из двух субъединиц (малой и большой) и имеет три функциональных участка: A (аминокислотный), P (пептидный) и E (выходной).
• Каждый из них участвует в последовательной работе с тРНК.

Ферменты и молекулы, участвующие в процессах

1. РНК-полимераза (транскрипция): катализирует синтез РНК.
2. Сплайсосома (сплайсинг): вырезает интроны и сшивает экзоны.
3. Аминоацил-тРНК-синтетаза (трансляция): заряжает тРНК соответствующей аминокислотой.
4. Пептидилтрансфераза (трансляция): образует пептидные связи между аминокислотами.

Значение процессов

Транскрипция и трансляция обеспечивают реализацию генетической информации, передавая её из ДНК в готовый белок. Они необходимы для клеточного роста, деления и адаптации к изменениям окружающей среды. Ошибки на любом из этапов этих процессов могут приводить к серьёзным заболеваниям, включая наследственные нарушения и рак.