Понимание фундаментальных основ существования жизни невозможно без четкого представления о передаче наследственной информации и ее реализации. Хранение генов организма реализуется за счет хромосом, в которых упакованы разные участки ДНК, кодирующие первичную аминокислотную последовательность определенного белка. А реализация генетической информации и ее передача по наследству достигается за счет ее копирования. Этот процесс носит название "транскрипция". В биологии он означает считывание кода участка гена и синтез на его основе матрицы для биосинтеза белка.
Молекулярные основы транскрипции
Транскрипцией называется ферментативный процесс, которому предшествует «распаковка» молекулы ДНК и обеспечение доступа для считывания определенного гена. Затем в двухцепочечной молекуле ДНК на начальном участке разрываются водородные связи между нуклеотидами на протяжении 4 кадонов. С этого момента начинается фаза инициации транскрипции в биологии, связанная с присоединением ДНК-зависимой РНК-полимеразы к макрополимеру ДНК.
Закономерным исходом инициации является синтез стартового участка матричной РНК, и как только к нему присоединится первый комплементарный нуклеотид и произойдет транслокация ДНК-зависимой РНК-полимеразы, следует говорить о начале стадии элонгации. Ее суть сводится к постепенному перемещению ДНК-зависимой РНК-полимеразы по молекуле ДНК в направлении 3`-5`, рассечению водородных связей ДНК впереди и их восстановлению сзади, а также присоединению комплементарного нуклеотида к растущей цепочке матрицы РНК.
Фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза катализирует именно присоединение нуклеотида к РНК, тогда как за считывание, разделение водородных связей и их восстановление отвечают другие ферментные системы. Все они находятся в месте, где происходит транскрипция. Биология позволяет применить метод меченых атомов и подтвердить факт их наибольшей концентрации именно в ядрах клеток.
Хронология транскрипции
В лабораторных условиях ученым исследовательской группы «Геном человека» удалось искусственно синтезировать саму молекулу ДНК и сохранить в ней генетический код. Этот процесс занял более 2-х десятилетий, не считая длительной подготовки. Интересно, с какой скоростью протекают эти процессы в живой клетке. Главный метод исследования трансляции и транскрипции — молекулярная биология. И хотя она пока испытывает сложности, связанные с невозможностью наглядной демонстрации этих процессов, некоторые доказательства касательно времени протекания биосинтеза белка имеются.
В частности, процесс «распаковки» генетической информации может занимать 16-48 часов, а транскрипция нужного гена — около 4-8 часов. На синтез одной небольшой молекулы белка на основании матричной РНК потребуется порядка 4-24 часов, после чего наступает стадия его «созревания». Под этим подразумевается самостоятельная спонтанная упаковка белка во вторичную, а затем в третичную структуру. Если белок требует постсинтетической модификации, то на этот процесс может потребоваться около недели и более.
Клеточные структуры, где происходят транскрипция и трансляция, в биологии изучаются все более подробно. При этом удалось подсчитать, что в эукариотических клетках с большим набором генетического материала синтез простой молекулы инсулина занимает примерно 16 часов. Генетически модифицированная кишечная палочка способна синтезировать такую молекулу за 4 часа. В случае крупных белков третичной и четвертичной структуры процесс их синтеза и окончательного формирования может занять около 2 недель.
Локализация ферментов транскрипции
Такой процесс как транскрипция (в биологии) протекает в месте непосредственного хранения наследственной информации. У эукариотических клеток это клеточное ядро, а у доядерных форм жизни — цитоплазма. Вирусный фермент обратная транскриптаза работает в ядре инфицированных клеток. При этом нуклеиновые кислоты митохондрий, представляющие собой набор генов, также проходят стадию транскрипции. В биологии и генетике характер протекания этих процессов пока неизвестен.
Но факт наличия митохондриальных болезней человека, которые наследуются потомками, подтверждает репликацию ДНК, для чего необходимым этапом является транскрипция. Это значит, что такой процесс может протекать в нескольких клеточных структурах: у эукариот это митохондрии и клеточное ядро, а у прокариот — в цитоплазме и плазмидах.
Локализация биосинтетических процессов
Локализации, где происходят транскрипция и трансляция (в биологии), различны, потому как синтез белковых молекул просто не может происходить в клеточном ядре. Сборка первичной структуры происходит на рибосомальном аппарате клетки, который преимущественно сконцентрирован в цитоплазме на мембране шероховатой эндоплазматической сети.
Синтез в высокоразвитых клетках, которые отличаются высокой скоростью сборки новых белковых молекул, происходит преимущественно на полирибосомах. Но в клетках бактерий и узкоспециализированных клеток биосинтез может протекать на разрозненных рибосомах в цитоплазме. Вирусные тельца не имеют своего синтетического аппарата и органелл, а потому эксплуатируют структуры инфицированных клеток.
