Транскрипция и трансляция у бактерий

Все молекулы РНК, образующиеся в результате транскрипции у бактерий (информационная РНК, рнбосомная РНК и транспортная РНК), синтезируются одним ферментом, РНК-полимеразой. Перед каждым геном располагается промотерная область гена, с которой начинается транскрипция. Бактериальные РНК-полимеразы состоят из пяти различных полипептидных цепей, одна из которых называется сигма-субъединицей и участвует в инициации транскрипции. Она узнает и связывается с участком однонитевой ДНК в области промотора за 10 оснований до первого копируемого основания (район называется бокс Прибнова или бокс-10) и за 35 оснований до первого копируемого основания, названного просто — 35 (первое копируемое основание называется +1, а любое основание до него получает отрицательный номер). Связывание сигмы с промотором помогает правильно связаться с ним остальным субъединицам фермента (называемым корферментом), так что транскрипция может начаться с правильной точки. Как только она начинается, сигма освобождается от корфермента и снова может участвовать в инициации транскрипции.

Транскрипция останавливается, когда РНК-полимераза доходит до ДНК-последовательности, называемой терминатором. Тогда РНК-молекула отсоединяется от ДНК.

Один транскрипт у бактерии может соответствовать последовательностям нескольких генов, в этом случае он называется полицистронным, или полигенным. (Это редкость дляэукариот, потому что у них в отличие от прокариот гены разделены длинными нитронами — фрагментами некодирущих последовательностей ДНК.) Получающаяся в результате молекула РНК будет иметь лидерную последовательность с 5’-конца, концевую последовательность — с 3’ -конца и пробельную последовательность (у которой нет иной функции, кроме разделения генов), разделяющую гены. Часто гены, транскрибируемые подобным образом, имеют связанные функции и транскрибируются под контролем одного промотора. В этом случае говорят, что гены составляют оперон.

В отличие отэукариот у прокариот нет мембраны, отделяющей ДНК от остальной клетки. Это значит, что рибосомы могут начинать трансляцию, как только завершится транскрипция.

Трансляция у бактерий имеет три основные ступени.

1. Инициация. В фазе инициации рРНК связывается со специфической последовательностью мРНК, которая запирает ее в правильном для начала трансляции положении. Как и уэукариот, кодон инициации АУГ расположен у стартового 5’-конца молекулы мРНК и кодирует метионин. Формильная группа (химическая формула СНО) присоединяется к молекуле метионина, как только аминокислота связывается с тРНК. Фермент деформилаза удаляет формильную группу с некоторых полипептидных цепей сразу после начала их синтеза. Другой фермент, аминопептидаза, может также удалять метионин с конца цепи полипептида, так что не все бактериальные белки имеют формил-метионин или метионин у стартового конца.

2. Элонгация. Рибосома начинает сборку полипептидной цепи, аминокислоту за аминокислотой, подобно тому, как делает это у эукариот. Несколько рибосом могут одновременно транскрибировать одну мРНК. Такой набор рибосом называется полирибосомой.

3. Терминация. Окончательная фаза. Ее провоцирует встреча рибосомы со стоп-кодоном в мРНК. Рибосома освобождает мРНК и движется в поисках новой матрицы мРНК для трансляции.

Некоторые бактерии продуцируют белки, которые должны проходить через клеточную мембрану (например, токсины, продуцируемые многими бактериями, вызывающие пищевые отравления). Такие белки содержат дополнительно 15 — 30 аминокислот с одного конца молекулы. Они, как якорь, закрепляются в мембране, держа белок, пока он синтезируется и проходит через мембрану. Как только синтез белка завершается, фермент, называемый сигнальной пептидазой, отрезает сигнальную последовательность от остального белка, освобождая белок, вышедший из клетки.

Оперон

Оперон, группа функционально связанных между собой генов, детерминирующих синтез белков-ферментов, относящихся к последовательным этапам какого-либо биохимического процесса. Концепция Оперон как часть теории генетической организации и регуляции выдвинута в 1961 французским учёными Ф. Жакобом и Ж. Моно на основе экспериментальных работ по синтезу индуцируемых ферментов у мутантов кишечной палочки. Регуляторная функция Оперон осуществляется на стадии транскрипции, т. е. при образовании информационной, или матричной, рибонуклеиновой кислоты (м-РНК) на соответствующем участке дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

В начале Оперон обычно локализован промотор - инициирующий транскрипцию участок ДНК, с которым специфически связывается фермент РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию Оперон (см. рис.). За промотором расположен оператор - участок ДНК, с которым взаимодействует регуляторный белок - репрессор. Остальную часть Оперон составляют структурные гены, содержащие информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях белков (см. Генетический код). Репрессоры синтезируются под контролем генов-регуляторов, необязательно входящих в данный Оперон Взаимодействуя с оператором, репрессор влияет на скорость транскрипции структурных генов. Репрессор, с одной стороны, способен «узнавать» последовательность оснований ДНК оператора, с другой - взаимодействовать с низкомолекулярными веществами - эффекторами, являющимися чаще всего субстратами или продуктами действия ферментов, определяемых данным Оперон Эффекторы резко меняют сродство репрессора к оператору; некоторые его снижают, другие повышают. Когда репрессор связан с оператором, он препятствует движению РНК-полимеразы вдоль Оперон, и синтез м-РНК тормозится, «выключается». Отделение репрессора от оператора приводит к «включению» Оперон Т. о., оператор определяет активность Оперон в целом. Описанная регуляция называется негативной, или отрицательной. Существует и позитивная, или положительная, регуляция, осуществляемая белком-активатором, который, присоединяясь к начальной части Оперон (перед промотором), активирует транскрипцию Оперон Конец Оперон - последовательность нуклеотидов, с которыми связан специфический белок - т.н. терминатор, прерывающий синтез РНК. Полагают, что в клетках высших организмов сохраняются основные черты описанных механизмов регуляции.

Концепция Оперон оказалась весьма плодотворной для развития молекулярной генетики и в дальнейшем была подтверждена многими исследователями с использованием как генетических, так и биохимических подходов. Из представлений об Оперон следует, что активность гена в клетке упорядочена и зависит как от внешних условий, так и от деятельности др. генов; они также позволяют понять, каким образом генетический аппарат клетки адекватно реагирует на изменение внешних условий.