ПЕРЕКЛАД ДНК: ПРОЦЕС В ЕУКАРІОТ І ПРОКАРІОТ - БІОЛОГІЯ - 2025

Переклад ДНК являє собою процес , за допомогою якого інформація , що міститься в матричної РНК , отриманого в процесі транскрипції (копіювання інформації в ДНК - послідовності , як РНК) «перекладається» в амінокислотноїпослідовності шляхом синтезу білка.

З клітинної точки зору експресія генів - відносно складна справа, яка відбувається в два етапи: транскрипція та трансляція.

Переклад РНК, опосередкований рибосомою (Джерело: LadyofHats / Public domain, через Wikimedia Commons)

Всі гени, які експресуються (незалежно від того, кодують вони пептидні послідовності, тобто білки), спочатку роблять це шляхом передачі інформації, що міститься в їх послідовності ДНК, до молекулярної молекули РНК (мРНК) шляхом процесу, який називається транскрипція.

Транскрипція досягається спеціальними ферментами, відомими як РНК-полімерази, які використовують одну з комплементарних ланцюгів ДНК гена як шаблон для синтезу молекули «перед-мРНК», яка згодом обробляється з утворенням зрілої мРНК.

Для генів, які кодують білки, інформація, що міститься в зрілих мРНК, "читається" і переводиться на амінокислоти відповідно до генетичного коду, який визначає, котрий чи нуклеотидний триплет відповідає якій конкретній амінокислоті.

Специфікація амінокислотної послідовності білка, отже, залежить від початкової послідовності азотистих основ у ДНК, яка відповідає гену, а потім у мРНК, яка несе цю інформацію від ядра до цитозолу (в еукаріотичних клітинах); процес, який також визначається як керований мРНК синтез білка.

Зважаючи на те, що існує 4 можливі комбінації 4 азотистих основ, які складають ДНК та РНК, і лише 20 амінокислот, амінокислоту можна кодувати різними триплетами (кодонами), саме тому кажуть, що генетичний код "вироджений" (за винятком амінокислоти метіоніну, кодованої унікальним кодоном AUG).

Еукаріотичний переклад (покроковий процес)

Діаграма клітини еукаріотичної тварини та її частин (Джерело: Алехандро Порто через Wikimedia Commons)

В еукаріотичних клітинах транскрипція відбувається в ядрі і трансляція в цитозоль, тому мРНК, що утворюються під час першого процесу, також відіграють роль у транспортуванні інформації від ядра до цитозолу, де клітини знаходяться. біосинтетичні машини (рибосоми).

Важливо зазначити, що подільна транскрипція та трансляція в еукаріот стосується ядра, але це не те саме для органел із власним геномом, таких як хлоропласти та мітохондрії, які мають системи, більш схожі на органи прокаріотичних організмів.

Еукаріотичні клітини також мають цитозольні рибосоми, прикріплені до мембран ендоплазматичного ретикулума (грубий ендоплазматичний ретикулум), в якому відбувається трансляція білків, призначених для введення в клітинні мембрани або для яких потрібна посттрансляційна обробка, що відбувається у зазначеному відділенні. .

- Обробка мРНК до їх трансляції

МРНК модифікуються на своїх кінцях під час транскрипції:

- Коли 5 'кінець мРНК виходить з поверхні РНК-полімерази II під час транскрипції, вона негайно "атакується" групою ферментів, що синтезують "капюшон", що складається з 7-метил-гуанілату і який з'єднаний з нуклеотидом термінал мРНК через 5 ', 5' трифосфатний зв'язок.

- 3 'кінець мРНК зазнає "розщеплення" ендонуклеазою, яка генерує 3' вільну гідроксильну групу, до якої приєднується "рядок" або "хвіст" залишків аденіну (від 100 до 250), які додаються по одному за допомогою ферменту полі (А) полімерази.

"Капюшон 5" та "хвіст полі" виконують функції захисту молекул мРНК від деградації та, крім того, функціонують у транспортуванні зрілих стенограмів до цитозолу та при започаткуванні та припиненні переклад відповідно.

C орт і сплайсинг

Після транскрипції "первинні" мРНК з їх двома модифікованими кінцями, все ще присутніми в ядрі, проходять процес "сплайсингу", за допомогою якого інтронні послідовності, як правило, видаляються та отримані екзони приєднуються (пост-транскрипційна обробка). , за допомогою яких виходять зрілі стенограми, які залишають ядро ​​і досягають цитозолу.

Сплайсинг здійснюється рибопротеїновим комплексом, який називається спліцеосомою (спліцеосомний англізм), що складається з п'яти малих рибонуклеопротеїнів і РНК-молекул, які здатні «розпізнати» області, які повинні бути видалені з первинної стенограми.

У багатьох еукаріотів зустрічається явище, відоме як «альтернативне сплайсинг», що означає, що різні типи посттранскрипційних модифікацій можуть утворювати різні білки або ізоферменти, які відрізняються один від одного в деяких аспектах їх послідовностей.

- Рибосоми

Коли зрілі стенограми залишають ядро ​​і транспортуються для трансляції в цитозолі, вони обробляються трансляційним комплексом, відомим як рибосома, що складається з комплексу білків, пов'язаних з молекулами РНК.

Рибосоми складаються з двох субодиниць, однієї «великої» та однієї «малої», які вільно дисоціюють у цитозолі та зв’язуються або асоціюються з молекулою мРНК, що перекладається.

Зв'язування між рибосомами та мРНК залежить від спеціалізованих молекул РНК, які асоціюються з рибосомними білками (рибосомальна РНК або рРНК і переносять РНК або тРНК), кожна з яких має специфічні функції.

TRNA - це молекулярні "адаптери", оскільки через один кінець вони можуть "зчитувати" кожен кодон або триплет у зрілій мРНК (за рахунок комплементарності бази), а через інший вони можуть зв'язуватися з амінокислотою, кодованою кодом "зчитування".

Молекули рРНК, з іншого боку, відповідають за прискорення (каталізацію) процесу зв'язування кожної амінокислоти в ланцюзі пептиду, що зароджується.

Зріла еукаріотична мРНК може бути "прочитана" багатьма рибосомами стільки разів, скільки вказує клітина. Іншими словами, однакова мРНК може спричинити багато копій одного і того ж білка.

Почніть кодон і рамку для читання

Коли зріла мРНК наближається до рибосомальних субодиниць, рибопротеїновий комплекс "сканує" послідовність зазначеної молекули до тих пір, поки не знайде стартовий кодон, який завжди AUG і включає введення залишку метіоніну.

Кодон AUG визначає рамку зчитування для кожного гена і, крім того, визначає першу амінокислоту всіх білків, що перекладаються в природі (ця амінокислота багато разів усувається посттрансляційно).

Зупиніть кодони

Ще три кодони були ідентифіковані як ті, що індукують припинення трансляції: UAA, UAG та UGA.

Ті мутації, які пов'язані зі зміною азотистих основ у триплеті, кодуючих амінокислоту і які призводять до зупинки кодонів, відомі як безглузді мутації, оскільки вони викликають передчасну зупинку процесу синтезу, яка утворює коротші білки.

Неперекладені регіони

Біля 5 'кінця зрілих молекул мРНК є неперекладені ділянки (UTR), які також називаються "лідерними" послідовностями, які розташовані між першим нуклеотидом і кодоном початку трансляції ( Серпня).

Ці неперекладені області UTR мають специфічні ділянки для зв'язування з рибосомами, а у людини, наприклад, довжиною є приблизно 170 нуклеотидів, серед яких є регуляторні регіони, сайти зв'язування білка, які функціонують в регуляції переклад тощо.

- Початок перекладу

Переклад, як і транскрипція, складається з 3 фаз: фаза ініціації, фаза подовження та нарешті фаза припинення.

Посвячення

Він складається з складання трансляційного комплексу на мРНК, яка заслуговує на зв'язування трьох білків, відомих як фактор ініціації (IF) IF1, IF2 та IF3 до малої субодиниці рибосоми.

Комплекс "перед ініціацією", утворений факторами ініціації, і мала рибосомальна субодиниця, в свою чергу, зв'язуються з тРНК, яка "несе" залишок метіоніну, і цей набір молекул зв'язується з мРНК, поблизу стартового кодона. Серпня

Ці події призводять до зв'язування мРНК з великою рибосомальною субодиницею, що призводить до вивільнення факторів ініціації. Субодиниця великої рибосоми має 3 сайти зв'язування для молекул тРНК: сайт А (амінокислота), сайт P (поліпептид) та сайт E (вихід).

Сайт A зв'язується з антикодоном аміноацил-тРНК, який є комплементарним до перекладеної мРНК; Р-сайт - це місце, де амінокислота переноситься з тРНК до зароджуваного пептиду, а Е-ділянка - це місце, де воно знаходиться в "порожній" тРНК перед вивільненням в цитозол після доставки амінокислоти.

Графічне зображення фаз ініціації та подовження перекладу (Джерело: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) через Wikimedia Commons)

Подовження

Ця фаза складається з "руху" рибосоми вздовж молекули мРНК та трансляції кожного кодону, який "читається", що передбачає зростання або подовження поліпептидного ланцюга при народженні.

Цей процес вимагає фактора, відомого як фактор подовження G та енергії у вигляді GTP, саме це рухає транслокацією факторів подовження вздовж молекули мРНК під час її перекладу.

Активність пептидитрансферази рибосомних РНК дозволяє утворити пептидні зв’язки між послідовними амінокислотами, які додаються до ланцюга.

Припинення

Переклад закінчується, коли рибосома стикається з будь-яким термінаційним кодоном, оскільки тРНК не розпізнає ці кодони (вони не кодують амінокислоти). Білки, відомі як фактори вивільнення, також зв'язуються, що полегшує вивільнення мРНК з рибосоми та дисоціацію її субодиниць.

Прокаріотичний переклад (кроки-процеси)

У прокаріотів, як і в еукаріотичних клітинах, рибосоми, відповідальні за синтез білка, знаходяться в цитозолі (що справедливо і для механізму транскрипції), що дозволяє швидко підвищувати концентрацію цитозолю в білку. коли експресія генів, що кодують її, збільшується.

Хоча в цих організмах не є надзвичайно поширеним процесом, первинні мРНК, що утворюються під час транскрипції, можуть зазнати посттранскрипційного дозрівання шляхом «сплайсингу». Однак найпоширенішим є спостереження за рибосомами, приєднаними до первинної стенограми, які перекладають її одночасно, коли вона перекладається з відповідної послідовності ДНК.

З огляду на вищесказане, трансляція у багатьох прокаріотів починається з 5 'кінця, оскільки 3' кінець мРНК залишається приєднаним до ДНК шаблону (і відбувається одночасно з транскрипцією).

Неперекладені регіони

Прокаріотичні клітини також продукують мРНК з неперекладеними ділянками, відомими як "Shine-Dalgarno box" і консенсусна послідовність яких - AGGAGG. Як очевидно, області UTR бактерій значно коротші, ніж клітини еукаріотів, хоча вони виконують подібні функції під час трансляції.

Процес

У бактерій та інших прокаріотичних організмів процес трансляції досить подібний до процесу еукаріотичних клітин. Він також складається з трьох фаз: ініціації, подовження та припинення, які залежать від конкретних прокаріотичних факторів, відмінних від тих, які застосовують еукаріоти.

Наприклад, подовження залежить від відомих факторів подовження, таких як EF-Tu та EF-Ts, а не від фактора G еукаріотів.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Молекулярна біологія клітини. Гарленд Наука. Нью-Йорк, 1392 рік.
2. Clancy, S. & Brown, W. (2008) Переклад: ДНК до мРНК до білка. Натуральна освіта 1 (1): 101.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Вступ до генетичного аналізу. Макміллан.
4. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат, Бретчер, А.,… і Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
6. Rosenberg, LE, & Rosenberg, DD (2012). Гени та геноми людини: Наука. Здоров’я, суспільство, 317-338.