У будь-якій клітині шлях реалізації генетичної інформації починається з транскрипції, тобто з синтезу молекули РНК на основі ДНК матриці. РНК -полімераза є основним діючим ферментом цього процесу. Саме вона будує ланцюг рибонуклеотидов, яка необхідна для білкового синтезу.
Для всіх представників клітинної форми життя характерний тільки один тип РНК-полімерази ДНК-залежна. Однак існує фермент, здатний синтезувати рибонуклеиновую кислоту на основі РНК-матриці. Така різновид ферменту (РНК-залежна РНК-полімераза) зустрічається тільки у вірусів.
Основні відомості про ферменті
Будь-яка РНК-полімераза являє собою білок, здатний зв’язуватися з молекулою нуклеїнової кислоти і, рухаючись по ній, каталізувати утворення фосфодиэфирной зв’язку між рибонуклеотидами. Цей процес вимагає витрати енергії.
Матеріалом для синтезу РНК служать рибонуклеозидтрифосфаты (аденін, гуанін, цитозин і урацил), які підбираються комплементарно матричної послідовності. Щоб почати синтезувати РНК, полімераза повинна зв’язатися з особливою послідовністю в геномі, яка називається промотором. Ця ділянка є посадкової майданчиком для ферменту.
Будь транскриптон обов’язково містить промотор, що передує кодує послідовність. Саме на етапі приєднання РНК-полімерази до промотору відбувається регуляція експресії певних генів. Від того, наскільки успішно фермент з ним про взаємодіє, залежить, чи буде йти транскрипція.
Роль РНК-полімерази в транскрипції
Головне призначення цього ферменту полягає в синтезі полінуклеотидного послідовності на підставі матричної ланцюга. Для виконання цього завдання РНК-полімераза здійснює цілий ряд функцій, включаючи:
- розпізнавання промотору;
- підбір нуклеотидів в ланцюг за комплементарному принципом;
- замикання фосфодиэфирных зв’язків між нуклеотидами;
- расплетание ділянки ДНК і розрізання подвійної спіралі;
- усунення помилок у синтезованої ланцюга.
Останні дві функції характерні тільки для складно влаштованих полимераз, що працюють на основі ДНК.
Різновиди РНК-полимераз
РНК-синтезують ферменти розрізняються не тільки за типом матриці, на яких вони працюють (ДНК або РНК), але і за складністю будови. На підставі цього критерію виділяють 2 групи РНК-полимераз:
- Складаються з однієї субодиниці — характерні для деяких фагів, а також для мітохондрій і хлоропластів еукаріотів. В останньому випадку односубъединичными є тільки ті полімерази, які кодуються малими ядерними ДНК, а не самими органеллами.
- Що включають до складу кількох субодиниць.
Прості полімерази не вимагають участі регуляторних елементів і працюють на невеликих геномах. Функціонал складних полимераз набагато ширше. Кожна субодиниця у складі ферменту виконує своє завдання.
Всі РНК-полімерази володіють загальним принципом дії, але розрізняються за будовою та умовами функціонування, які в різних таксонів живих організмів не однакові. Виходячи з цього виділяють РНК-синтезують ферменти:
- прокаріотів (бактерій і архей);
- еукаріотів;
- вірусів.
Окремо класифікують РНК-полімерази еукаріотів. Ці організми мають кілька різновидів ферменту, призначених для синтезу різних типів РНК.
РНК-полімерази прокаріотів
У бактерій для всі види РНК синтезуються одним видом полімерази. Остання являє собою многосубъединичный комплекс, в якому виділяють 2 складові частини:
- кор-фермент або основний фермент синтезує ланцюг РНК, що складається з 5 протомеров (β, β`, ω і 2 субодиниці α);
- допоміжна субодиниця σ — дізнається промотор і допомагає полимеразе зв’язатися з ним, після чого відразу відділяється.
Комплекс з кор-фегмента і σ-фактора називають холоферментом.
РНК-синтезують ферменти клітини эукариотической
Эукариотические РНК-полімерази улаштовані значно складніше і в їх склад входить більша кількість субодиниць. Однак, для роботи цих ферментів потрібна величезна кількість білкових факторів. Останні допомагають полімеразам розпізнавати і зв’язуватися з промотором (полимеразе бактерій достатньо субодиниці сигма), а також беруть участь у процесах елонгації і термінації.
Розрізняють три види эукариотических РНК-полимераз: Pol l, Pol ll та Pol lll. Всі вони являють собою складні гетеромультимерные комплекси з молекулярною масою 0,5-0,7 Так. Швидкість роботи эукариотических полимераз становить 20 нуклеотидів в секунду.
| види РНК синтезуються | кількість субодиниць у складі ферменту | |
| l тип | рибосомальные РНК (рРНК) | 14 |
| ll тип |
матричні РНК (мРНК), малі ядерні РНК (мяРНК) |
12 |
| lll тип | транспортні РНК (рРНК), 5S-РНК, низькомолекулярні РНК (7SL, 7SK, U6, MRP ссавців і ін) | 17 |
З усіх типів ферменту тільки РНК-полімераза ll синтезує молекули, службовці прототипом для побудови всіх білків, — матричні РНК.
Механізм дії ферменту
РНК-полімераза є ключовим ферментом на всіх стадіях транскрипції (ініціації, елонгації і термінації). На першому етапі полімераза зв’язується з промотором.
Синтез ланцюга РНК відбувається на стадії елонгації, під час якої полімераза стрибкоподібно рухається за матричної ланцюга, вибірково каталізує приєднання нових рибонуклеотидов (в ланцюг включаються тільки ті азотисті основи, які комплементарно спаровуються з ДНК/РНК, утворюючи водневі зв’язки). Ланцюг подовжується в напрямку від 5 до 3 кінця.
Фермент має канал, через який надходять рибонуклеотидфосфаты, активний центр і канал виходу РНК. Замикання фосфодиэфирной зв’язку здійснюється за рахунок гідролізу макроергічних сполук. Цей процес здійснюється в активному центрі ферменту. Рух РНК-полімерази має стрибкоподібний характер.
Механізм транскрипції на певних етапах нагадує процес подвоєння генетичного матеріалу (реплікації). Дії ДНК-полімерази і РНК-полімерази дуже схожі, оскільки вони каталізують одну і ту ж саму хімічну реакцію. Проте, в роботі цих ферментів є ряд істотних відмінностей. Серед них:
- для роботи РНК-полімерази не потрібна затравка у вигляді праймера;
- матеріалом для синтезу РНК служать не дезоксирибонуклеотиды, а рибонуклеотиды;
- в процесі просування ферменту за матричної ланцюга відбувається роз’єднання гібрида між матрицею і синтезованим продуктом, тоді як під час реплікації він зберігається.
Синтез РНК відбувається антипараллельно матричної послідовності. Працюють на ДНК полімерази по ходу просування розкручують перед собою подвійну спіраль і поділяють ланцюга. Позаду ферменту синтезована РНК відразу витісняється, а структура ДНК відновлюється.
