РНК полимераза - описание, функция и действие

Във всяка клетка начинът на прилагане на генетичната информация започва с транскрипция, т.е. със синтеза на молекула на РНК, базирана на ДНК матрицата. РНК полимеразата е основният активен ензим в този процес. Тя изгражда верига от рибонуклеотиди, която е необходима за синтеза на протеини.

За всички представители на клетъчната форма на живот е характерен само един тип РНК-полимераза - зависима от ДНК. Обаче, съществува ензим, способен да синтезира рибонуклеинова киселина на базата на RNA шаблона. Този тип ензим (РНК-зависима РНК полимераза) се среща само при вируси.

Основи на ензимите

Всяка РНК полимераза е протеин, способен да се свърже с молекула нуклеинова киселина и, движейки се по него, да катализира образуването на фосфодиестерна връзка между рибонуклеотиди. Този процес изисква енергия.

Материалът за синтеза на РНК е рибонуклеозид трифосфати (аденин, гуанин, цитозин и урацил), които са избрани комплементарно на матричната последователност. За да започне да синтезира РНК, полимеразата трябва да бъде свързана със специфична последователност в генома, която се нарича промотор. Този сайт е място за разтоварване на ензима.

Всеки транскрипт включва промотор, който предхожда кодиращата последователност. Именно на етапа на прикрепване на РНК полимеразата към промотора се регулира експресията на определени гени. Зависи от това доколко ензимът взаимодейства с него, независимо дали транскрипцията ще продължи.

Ролята на РНК полимеразата в транскрипцията

Основната цел на този ензим е да синтезира полинуклеотидна последователност, базирана на матрична верига. За да се постигне това, РНК полимеразата има множество функции, включително:

• признаване на организатора;
• избор на нуклеотиди във веригата съгласно допълващия принцип;
• затваряне на фосфодиестерни връзки между нуклеотиди;
• разчупване на част от ДНК и рязане на двойна спирала;
• отстраняване на грешки в синтезираната верига.

Последните две функции са характерни само за сложни ДНК-базирани полимерази.

РНК полимераза

РНК-синтезиращите ензими се различават не само от вида на матрицата, на която работят (ДНК или РНК), но и от сложността на структурата. Въз основа на този критерий се различават 2 групи РНК полимерази:

• Състои се от една субединица - характерна за някои фаги, както и за митохондриите и хлоропластите на еукариотите. В последния случай единичната субединица са само онези полимерази, които се кодират от малка ядрена ДНК, а не от самите органели.
• Включително няколко подединици.

Простите полимерази не изискват участието на регулаторни елементи и работят върху малки геноми. Функционалността на сложните полимерази е много по-широка. Всяка субединица в състава на ензима изпълнява своята задача.

Всички РНК полимерази имат общ принцип на действие, но се различават по структурата и условията на функциониране, които не са еднакви в различни таксони на живи организми. Въз основа на това се изолират РНК-синтезиращи ензими:

• прокариоти (бактерии и археи);
• еукариоти;
• вируси.

Еукариотните РНК полимерази се класифицират отделно. Тези организми имат няколко вида ензими, предназначени за синтез на различни видове РНК.

РНК полимераза прокариоти

В бактериите за всички видове РНК се синтезира един вид полимераза. Последният е мулти-субединичен комплекс, в който има 2 компонента:

• основният ензим или главният ензим синтезира RNA верига, се състои от 5 протомера (β, β ^' , ω и 2 а субединици);
• спомагателната субединица, σ, разпознава промотора и помага на полимеразата да се свърже с нея, след което веднага се разделя.

Комплексът на ядрото и σ фактор се нарича холоензим.

РНК, синтезиращи ензими на еукариотна клетка

Еукариотните РНК полимерази са много по-сложни и включват повече подединици. Въпреки това, работата на тези ензими изисква огромно количество протеинови фактори. Последните помагат на полимеразите да разпознават и се свързват с промотора (бактериалната полимераза е достатъчна за сигма субединицата) и също участват в процесите на удължаване и прекратяване.

Има три вида еукариотни РНК полимерази: Pol l, Pol ll и Pol lll. Всички те са комплексни хетеромултимерни комплекси с молекулно тегло 0,5-0,7 Da. Скоростта на еукариотните полимерази е 20 нуклеотида в секунда.

От всички видове ензим, само РНК полимераза II ще синтезира молекули, които служат като прототип за изграждане на всички протеини - пратеник РНК.

Ензимен механизъм на действие

РНК полимеразата е ключов ензим на всички етапи на транскрипция (иницииране, удължаване и прекратяване). На първия етап полимеразата се свързва с промотора.

Синтезата на РНК веригата се случва на етапа на удължаване, по време на което полимеразата рязко се движи по матричната верига, избирателно катализира добавянето на нови рибонуклеотиди (само тези азотни бази, които са комплементарни на двойката ДНК / РНК, са включени във веригата, образувайки водородни връзки). Веригата се простира от 5 до 3 края.

Ензимът има канал, през който влизат рибонуклеотидни фосфати, активен център и изходен канал на РНК. Затварянето на фосфодиестерната връзка се осъществява чрез хидролиза на високоенергийни съединения. Този процес се провежда в активния център на ензима. Движението на РНК полимеразата има спазматичен характер.

Механизмът на транскрипция на определени етапи наподобява процеса на удвояване на генетичния материал (репликация). Действията на ДНК полимераза и РНК полимераза са много сходни, тъй като те катализират същата химическа реакция. Въпреки това, в работата на тези ензими има редица съществени разлики. Сред тях са:

• РНК-полимеразата не се нуждае от грунд под формата на праймер;
• материалът за синтез на РНК не е дезоксирибонуклеотиди, а рибонуклеотиди;
• в процеса на преместване на ензима по матричната верига, хибридът се разделя между матрицата и синтезирания продукт, докато се запазва по време на репликацията.

Синтезата на РНК протича паралелно на последователността на шаблона. ДНК-полимеразите, които работят по пътя си, увеличават двойната спирала пред себе си и разделят веригите. Зад ензима синтезираната РНК веднага се измества и ДНК структурата се възстановява.