Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011
Транскрипция ДНК
Полимеризация рибонуклеотидов
Ген - это участок ДНК, который содержит информацию, определяющую синтез одной полипептидной цепи или функциональной РНК (такой, например, как тРНК).
Абсолютное большинство генов несут информацию о строении белковых молекул и РНК-копии таких белок-кодирующих генов и представляют собой матричные РНК (мРНК). ДНК-молекулы вирусов содержат всего несколько генов, в то время как ДНК-молекула хромосомы эукариот может содержать несколько тысяч генов.
В ходе синтеза РНК четырёхбуквенный (А,С,С,Т)-"язык" ДНК, просто копируется или осуществляется транскрипция (transcription - переписывание) в четырёхбуквенный (А,G,С,U)-"язык" РНК, в котором тимин заменен урацилом (рисунок 8).
В отличие от транскрипции, при биосинтезе белка (трансляция) четырёхбуквенный "язык" ДНК и РНК переводится (транслируется) в 20-символьный аминокислотный язык белков.
Рисунок 8 - Полимеризация рибонуклеотидов РНК-полимеразой в ходе транскрипции. Н.О. - нуклеиновые основания; рНТФ - рибонуклеозидтрифосфат
В ходе транскрипции одна из цепей ДНК выполняет функцию матрицы, определяющей порядок, в котором мономеры рНТФ, рибонуклеозидтрифосфаты, полимеризуются, образуя комплементарную ДНК-матрице нить РНК.
Основания ДНК-матрицы спариваются с комплементарными рНТФ, которые затем присоединяются к растущей полинуклеотидной РНК-цепи в результате реакции полимеризации, катализируемой ферментом РНК-полимераза.
Полимеризация включает в себя нуклеофильную атаку 3'-кислорода гидроксильной группы на конце растущей цепи РНК на а-фосфат следующего нуклеотида, который должен быть присоединен к цепи, и который уже спарен со следующим основанием ДНК-матрицы (рисунок 8).
В результате образуется фосфодиэфирная связь и высвобождается пирофосфат (PPi). Следствием этой реакции является то, что молекула РНК всегда синтезируется в направлении 5'→3'.
Добавление очередного рибонуклеотида к растущей молекуле РНК энергетически выгодно, поскольку высокоэнергетичная связь между a и ß фосфатами рНТФ-мономера заменяется низкоэнергетичной фосфодиэфирной связью между рибонуклеотидами.
Химическое равновесие в реакции полимеризации сдвигается в сторону дальнейшего наращивания цепи наличием в клетке пирофосфотазы, фермента, который катализирует расщепление пирофосфата на две молекулы неорганического фосфата.
Подобно двойной спирали ДНК, матричная нить ДНК и комплементарная ей растущая нить РНК имеют противоположные 5'→3' направления.
Принято нумеровать положения нуклеиновых оснований матричной нити ДНК, по которым идет синтез молекулы РНК, следующим образом. То нуклеиновое основание, с которого начинается полимеризация РНК (стартовая точка транскрипции), обозначают (+1).
Положительным считается направление, в котором идет наращивание цепи РНК, а отрицательным - обратное направление. Соответственно, нумерация нуклеотидов от стартовой позиции (+1) в положительном направлении (еще говорят "вниз") идет со знаком (+), а в противоположном направлении ("вверх") со знаком (-).