Усе, хто вывучае малекулярную біялогію, біяхімію, генетычную інжынерыю і шэраг іншых роднасных ім навук, рана ці позна задае пытанне: якую функцыю выконвае РНК-полимераза? Гэта даволі складаная тэма, якая цалкам усё яшчэ не даследавана, але, тым не менш, што вядома, то будзе святло ў рамках артыкула.
Агульная інфармацыя
Неабходна запомніць, што ёсць РНК-полимераза эукарыёт і пракарыёт. Першая дадаткова дзеліцца на тры тыпу, кожны з якіх адказвае за правядзенне транскрыпцыі асобнай групы генаў. Гэтыя ферменты для прастаты пранумараваны як першая, другая і трэцяя РНК-полимераза. Пракарыёт, будова якога бяз'ядзернай, пры транскрыпцыі дзейнічае па спрошчанай схеме. Таму для нагляднасці, каб ахапіць як мага больш інфармацыі, будуць разглядацца эукарыёт.Асноўныя. РНК-полимеразы структурна падобныя паміж сабой. Мяркуюць, што яны ўтрымліваюць не менш чым 10 полипептидных ланцугоў. Пры гэтым РНК-полимераза 1 сінтэзуе (транскрыбуюць) гены, якія ў наступным будуць трансляваць у розныя бялкі. Другая займаецца транскрыбавання генаў, якія ў наступным трансліруюцца ў вавёркі. РНК-полимеразы 3 прадстаўлены разнастайнымі нізкамалекулярных стабільнымі ферментамі, якія умерана адчувальныя да альфа-аматину. Але мы ж не вызначыліся з тым, што ж такое РНК-полимераза! Так называюць ферменты, якія займаюцца сінтэзам малекул рібанукляінавай кіслаты. У вузкім значэнні пад гэтым разумеюць ДНК-залежныя РНК-полимеразы, якія дзейнічаюць на падставе матрыцы дэзаксірыбануклеінавай кіслаты. Ферменты маюць огромнейшее значэнне для працяглага і паспяховага функцыянавання жывых арганізмаў. РНК-полимеразы можна сустрэць ва ўсіх клетках і большасці вірусаў.
Дзяленне па асаблівасцях
У залежнасці ад Суб'едынічные складу РНК-полимеразы дзеляцца на дзве групы:
- Першая займаецца транскрыбавання невялікага ліку генаў у простых геному. Для функцыянавання ў дадзеным выпадку не патрабуюцца складаныя рэгулятарныя ўздзеяння. Таму сюды адносяць усе ферменты, якія складаюцца ўсяго толькі з адной субадзінак. У якасці прыкладу можна навесці РНК-полимеразы бактэрыяфагаў і мітахондрый.
- Да гэтай групы адносяць усе РНК-полимеразы эукарыёт і бактэрый, якія з'яўляюцца складана уладкованымі. Яны ўяўляюць сабой заблытаныя многосубъединичные бялковыя комплексы, што могуць транскрыбаваць тысячы розных генаў. Падчас функцыянавання гэтыя гены рэагуюць на вялікую колькасць рэгуляторных сігналаў, што паступаюць ад бялковых фактараў і нуклеатыдаў.
Падобнае структурна-функцыянальнае падзел з'яўляецца вельмі ўмоўным і моцным спрашчэннем рэальнага стану рэчаў.
Чым займаецца РНК-полимераза I?
За імі замацавана функцыя адукацыі першасных транскрыптаў генаў рРНК, гэта значыць яны з'яўляюцца найбольш важнымі. Апошнія больш вядомыя пад пазначэннем 45S-РНК. Іх даўжыня складае прыкладна 13 тысяч нуклеатыдаў. З яе фармуюцца 28S-РНК, 18S-РНК і 5,8S-РНК. Дзякуючы таму, што для іх стварэння выкарыстоўваецца толькі адзін транскриптор, арганізм атрымлівае «гарантыю», што малекулы будуць утварацца ў роўных колькасцях. Пры гэтым на стварэнне непасрэдна РНК ідзе толькі 7 тысяч нуклеатыдаў. Астатняя частка транскрыптаў дэградуе ў ядры. Адносна такой вялікай астатку існуе меркаванне, што ён неабходны для ранніх этапаў фарміравання рыбасом. Колькасць гэтых полимераз ў клетках вышэйшых істот вагаецца каля адзнакі ў 40 тысяч адзінак.
Як яна арганізавана?
Такім чынам, намі ўжо нядрэнна разгледжана першая РНК-полимераза (пракарыёт-будынак малекулы). Пры гэтым вялікія субадзінак, як, зрэшты, і вялікая колькасць іншых высокамалекулярных поліпептыд, тут маюцца добра адрозныя функцыянальныя і структурныя дамены. Падчас кланавання генаў і вызначэння іх першаснай структуры навукоўцамі былі выяўлены эвалюцыйна кансерватыўныя ўчасткі ланцугоў. Карыстаючыся добрай выяўленасцю, даследчыкамі быў таксама праведзены мутацыйных аналіз, што дазваляе нам казаць пра функцыянальную значнасць асобных даменаў. Для гэтага з дапамогай накіраванага мутагенеза ў полипептидных ланцугах мянялі асобныя амінакіслоты і такія змененыя субадзінак ўжывалі ў зборцы ферментаў з наступным аналізам уласцівасцяў, што атрымліваліся ў дадзеных канструкцыях. Было адзначана, што дзякуючы сваёй арганізацыі першая РНК-полимераза на наяўнасць альфа-аматина (высокатаксічнага рэчыва, якое атрымліваюць з бледнай паганкі) ніяк не рэагуе.
функцыянаванне
І першая, і другая РНК-полимеразы могуць існаваць у двух формах. Адна з іх можа выступаць для ініцыяцыі спецыфічнай транскрыпцыі. Другая - гэта ДНК залежная РНК-полимераза. Гэта стаўленне праяўляецца ў велічыні актыўнасці функцыянавання. Тэма яшчэ даследуецца, але ўжо цяпер вядома, што гэта залежыць ад двух фактараў транскрыпцыі, якія абазначаюцца як SL1 і UBF. Асаблівасць апошняга - у тым, што ён можа непасрэдна звязвацца з промоторов, тады як SL1 патрабуе прысутнасці UBF. Хоць эксперыментальна было ўстаноўлена, што ДНК-залежная РНК-полимераза можа браць удзелу ў транскрыпцыі на мінімальным узроўні і без наяўнасці апошняга. Але для нармальнага функцыянавання гэтага механізму UBF ўсё ж патрэбны. Чаму менавіта так? Пэўна пакуль што ўсталяваць прычыну такіх паводзін не ўдалося. Адно з самых папулярных тлумачэнняў мяркуе, што UBF выступае своеасаблівым стымулятарам транскрыпцыі рДНК калі яна расце і развіваецца. Калі ж надыходзіць фаза спакою, то падтрымліваецца мінімальны неабходны ўзровень функцыянавання. А для яго ўдзел транскрыпцыйных фактараў не з'яўляецца крытычна важным. Вось так працуе РНК-полимераза. Функцыі гэтага фермента дазваляюць падтрымліваць працэс прайгравання невялікіх «будаўнічых блокаў» нашага арганізма, дзякуючы якому ён увесь час на працягу дзесяцігоддзяў абнаўляецца.
Другая група ферментаў
Іх функцыянаванне рэгулюецца зборкай мультибелкового преинициаторного комплексу промоторов другога класа. Часцей за ўсё гэта выяўляецца ў працы з адмысловымі вавёркамі - актыватара. У якасці прыкладу можна прывесці ТВР. Гэта асацыяваныя фактары, якія ўваходзяць у склад TFIID. Яны - мішэнь для p53, NF kappa B і гэтак далей. Свой уплыў у працэсе рэгуляцыі аказваюць і вавёркі, якія называюцца коактиваторами. Як прыклад можна прывесці GCN5. Навошта ж патрэбныя гэтыя бялкі? Яны выступаюць у якасці адаптараў, якія настройваюць ўзаемадзеянне актыватараў і фактараў, што ўваходзяць у преинициаторный комплекс. Каб правільна адбывалася транскрыпцыя, неабходна наяўнасць патрэбных инициаторных фактараў. Нягледзячы на тое, што іх шэсць, наўпрост ўзаемадзейнічаць з промоторов можа толькі адзін. Для іншых выпадкаў неабходны прэфармаваных комплекс другі РНК-полимеразы. Прычым падчас гэтых працэсаў праксімальныя элементы знаходзяцца побач - усяго толькі ў 50-200 парах ад ўчастка, дзе пачалася транскрыпцыя. Яны ўтрымліваюць у сабе ўказанне на звязванне бялкоў-актыватараў.
спецыфічныя асаблівасці
Ці ўплывае Суб'едынічные будынак ферментаў рознага паходжання на іх функцыянальную ролю пры транскрыпцыі? Дакладнага адказу на гэтае пытанне няма, але лічыцца, што ён, хутчэй за ўсё, пазітыўны. Як жа ад гэтага залежыць РНК-полимераза? Функцыі ферментаў простага будынкі - гэта транскрыбавання абмежаванага круга генаў (ці нават іх невялікіх частак). Як прыклад можна прывесці сінтэз РНК-затравок фрагментаў Оказаки. Промоторная спецыфічнасць РНК-полимеразы бактэрый і фагов заключаецца ў тым, што ферменты з'яўляюцца ўладальнікамі просты структуры і не адрозніваюцца разнастайнасцю. Гэта можна назіраць на прыкладзе працэсу рэплікацыі ДНК у бактэрый. Хоць можна разгледзець і такое: калі даследавалася складаную будову геному цотнага Т-фага, падчас развіцця якога было адзначана шматразовае пераключэнне транскрыпцыі паміж рознымі групамі генаў, то было выяўлена, што для гэтага выкарыстоўвалася складаная РНК-полимераза гаспадара. Гэта значыць, просты фермент ў такіх выпадках не індукуецца. З гэтага выцякае цэлы шэраг следстваў:
- РНК-полимераза эукарыёт і бактэрый павінны ўмець распазнаваць розныя промоторов.
- Неабходна, каб ферменты валодалі пэўнай рэакцыяй на розныя бялкі-рэгулятары.
- РНК-полимераза таксама павінна ўмець мяняць спецыфіку распазнання паслядоўнасці нуклеатыдаў матрычнай ДНК. Для гэтага выкарыстоўваюцца разнастайныя бялковыя эффекторы.
Адсюль вынікае патрэба арганізма ў дадатковых «будаўнічых» элементаў. Вавёркі транскрыбуюць комплексу дапамагаюць РНК-полимеразе паўнавартасна выконваць свае функцыі. Гэта адносіцца, найбольшым чынам, да ферментам складанай структуры, у магчымасцях якіх ажыццяўленне шырокай праграмы рэалізацыі генетычнай інфармацыі. Дзякуючы розным задачам, мы і можам назіраць своеасаблівую іерархію будынкі РНК-полимераз.
Як жа гэта адбываецца працэс транскрыпцыі?
Ці ёсць ген, які адказвае за сувязь з РНК-полимеразой? Для пачатку аб транскрыпцыі: у эукарыёт.Асноўныя працэс адбываецца ў ядры. У пракарыёт ён працякае ўнутры самога мікраарганізма. У аснове ўзаемадзеяння полимеразы ляжыць асноватворны структурны прынцып кампліментарнай спарвання асобных малекул. Адносна пытанняў узаемадзеяння можна сказаць, што ДНК выступае выключна ў ролі матрыцы і падчас транскрыпцыі не мяняецца. Паколькі ДНК з'яўляецца цэласным ферментам, то сказаць дакладна, што нейкі канкрэтны ген адказвае за гэтую палімераў можна, але гэта будзе вельмі доўга. Варта не забываць, што ДНК утрымлівае ў сабе 3,1 мільярда нуклеотидных рэшткаў. Таму больш падыходна будзе сказаць, што за кожны тып РНК адказвае свая ДНК. Для праходжання жа палімеразнай рэакцыі патрэбныя крыніцы энергіі і рибонукле-озидтрифосфато субстраты. Пры іх наяўнасці ўтвараюцца 3 ', 5'-фосфодиэфирные сувязі паміж рибонуклеозидмонофосфатами. Малекула РНК пачынае сінтэзавацца ў пэўных паслядоўнасцях ДНК (промотор). Гэты працэс канчаецца на терминирующих участках (тэрмінацыю). Ўчастак, які тут задзейнічаецца, называецца транскриптоном. У эукарыёт.Асноўныя тут маецца, як правіла, толькі адзін ген, тады як пракарыёты могуць валодаць і некалькімі ўчасткамі кода. Кожны транскриптон валодае неінфарматыўная зонай. У іх размешчаныя спецыфічныя паслядоўнасці нуклеатыдаў, якія ўзаемадзейнічаюць з рэгулятарнымі транскрыпцыйных фактараў, згаданымі раней.
Бактэрыяльныя РНК-полимеразы
У гэтых мікраарганізмаў адзін фермент адказвае за сінтэз мРНК, рРНК і тРНК. Сярэднестатыстычная малекула полимеразы мае ў сабе прыкладна 5 субадзінак. Дзве з іх выступаюць у якасці злучаюць элементаў фермента. Яшчэ адна субадзінак займаецца ініцыяцыі сінтэзу. Таксама ёсць складнік фермента для неспецыфічнай сувязі з ДНК. І апошняя субадзінак займаецца прывядзеннем РНК-полимеразы ў рабочую форму. Варта адзначыць, што малекулы фермента ня знаходзяцца ў «свабодным» плаванні ў цытаплазме бактэрыі. Калі РНК-полимеразы не выкарыстоўваюцца, то яны звязваюцца неспецыфічнымі абласцямі ДНК і чакаюць, пакуль будзе адкрыты актыўны промотор. Трохі адцягваючыся ад тэмы, варта сказаць, што на бактэрыя вельмі зручна вывучаць вавёркі і іх уплыў на рібанукляінавай кіслотныя полимеразы. Асабліва зручна на іх ставіць эксперыменты па стымуляцыі ці ўціску асобных элементаў. Дзякуючы іх высокай хуткасці размнажэння можна адносна хутка атрымліваць жаданы вынік. Нажаль, даследаванне чалавека не можа праводзіцца такімі хуткімі тэмпамі дзякуючы нашаму структурнаму разнастайнасці.
Як РНК-полимераза «прыжылася» у розных формах?
Вось і падыходзіць артыкул да лягічнага завяршэньня. Асноўная ўвага была ўдзелена эукарыёт.Асноўныя. Але ёсць яшчэ археи і вірусы. Таму хочацца надаць трохі ўвагі і гэтым форм жыцця. У жыццядзейнасці Архэ ёсць толькі адна група РНК-полимераз. Але яна надзвычай падобная па сваіх уласцівасцях з трыма аб'яднаннямі эукарыёт.Асноўныя. Шматлікімі навукоўцамі выказваюцца здагадкі, што тое, што мы можам назіраць у Архэ, на самай справе з'яўляецца эвалюцыйным продкам спецыялізаваных полимераз. Цікава таксама і будынак вірусаў. Як раней пісалася, не ўсе такія мікраарганізмы валодаюць сваёй полимеразой. А там, дзе яна ёсць, яна ўяўляе сабой адну субадзінак. Лічыцца, што вірусныя ферменты адбываюцца ад ДНК-полимераз, а не ад складаных канструкцый РНК. Хоць дзякуючы разнастайнасці гэтай групы мікраарганізмаў сустракаецца розная рэалізацыя разгляданага біялагічнай механізму.
заключэнне
Нажаль, цяпер чалавецтва пакуль што не валодае всёй неабходнай інфармацыяй, патрэбнай для разумення геному. А што б толькі можна было б зрабіць! Практычна ўсе захворванні ў сваёй аснове маюць менавіта генетычную аснову - гэта ставіцца ў першую чаргу да вірусаў, якія пастаянна дастаўляю нам праблемы, да інфекцый і гэтак далей. Самыя складаныя і невылечныя хваробы - яны таксама, па сутнасці, прама ці ўскосна залежаць ад геному чалавека. Калі мы навучымся разбірацца самі ў сабе і будзе прымяняць гэтыя веды на карысць, вялікая колькасць праблем і хвароб проста перастануць існаваць. Ужо зараз адышлі ў мінулае многія раней страшныя захворванні, такія як воспа, чума. Рыхтуюцца туды адправіцца свінка, коклюш. Але не варта расслабляцца, бо перад намі стаіць яшчэ вялікая колькасць розных выклікаў, на якія трэба знайсці адказ. І ён будзе знойдзены, бо ўсё ідзе да гэтага.