Polimeraza RNA - opis, funkcja i działanie

W każdej komórce sposób wprowadzania informacji genetycznej rozpoczyna się transkrypcją, czyli syntezą cząsteczki RNA opartej na matrycy DNA. Polimeraza RNA jest głównym aktywnym enzymem w tym procesie. To ona buduje łańcuch rybonukleotydów, który jest niezbędny do syntezy białek.

Dla wszystkich przedstawicieli komórkowej formy życia charakterystyczny jest tylko jeden typ polimerazy RNA - zależny od DNA. Istnieje jednak enzym zdolny do syntezy kwasu rybonukleinowego w oparciu o matrycę RNA. Ten rodzaj enzymu (polimeraza RNA zależna od RNA) występuje tylko w wirusach.

Podstawy enzymów

Dowolna polimeraza RNA jest białkiem zdolnym do wiązania się z cząsteczką kwasu nukleinowego i poruszania się po niej w celu katalizowania tworzenia wiązania fosfodiestrowego między rybonukleotydami. Ten proces wymaga energii.

Materiałem do syntezy RNA są trifosforany rybonukleozydów (adenina, guanina, cytozyna i uracyl), które są wybrane jako komplementarne do sekwencji macierzy. Aby rozpocząć syntezę RNA, polimeraza musi być połączona z określoną sekwencją w genomie, która jest nazywana promotorem. Ta strona jest miejscem lądowania dla enzymu.

Dowolny transkrypt obejmuje promotor, który poprzedza sekwencję kodującą. To na etapie przyłączania polimerazy RNA do promotora regulowana jest ekspresja pewnych genów. To zależy od tego, jak dobrze enzym oddziałuje z nim, czy transkrypcja będzie kontynuowana.

Rola polimerazy RNA w transkrypcji

Głównym celem tego enzymu jest synteza sekwencji polinukleotydowej opartej na łańcuchu macierzy. Aby to osiągnąć, polimeraza RNA ma wiele różnych funkcji, w tym:

• uznanie promotora;
• wybór nukleotydów w łańcuchu według zasady komplementarnej;
• zamknięcie wiązań fosfodiestrowych między nukleotydami;
• rozwikłać fragment DNA i przeciąć podwójną helisę;
• eliminacja błędów w zsyntetyzowanym obwodzie.

Dwie ostatnie funkcje są charakterystyczne tylko dla złożonych polimeraz DNA.

Gatunki polimerazy RNA

Enzymy syntetyzujące RNA różnią się nie tylko rodzajem matrycy, na której działają (DNA lub RNA), ale także złożonością struktury. Na podstawie tego kryterium rozróżnia się 2 grupy polimeraz RNA:

• Składa się z jednej podjednostki - charakterystycznej dla niektórych fagów, a także dla mitochondriów i chloroplastów eukariotów. W tym ostatnim przypadku pojedyncza podjednostka to tylko te polimerazy, które są kodowane przez małe jądrowe DNA, a nie przez same organelle.
• W tym kilka podjednostek.

Proste polimerazy nie wymagają udziału elementów regulacyjnych i pracują nad małymi genomami. Funkcjonalność złożonych polimerów jest znacznie szersza. Każda podjednostka w składzie enzymu spełnia swoje zadanie.

Wszystkie polimerazy RNA mają wspólną zasadę działania, ale różnią się strukturą i warunkami funkcjonowania, które nie są takie same w różnych taksonach organizmów żywych. Na tej podstawie izoluje się enzymy syntetyzujące RNA:

• prokarioty (bakterie i archeony);
• eukariota;
• wirusy.

Eukariotyczne polimerazy RNA są oddzielnie klasyfikowane. Organizmy te mają kilka rodzajów enzymów przeznaczonych do syntezy różnych typów RNA.

Prokariota polimerazy RNA

W bakteriach wszystkich typów RNA syntetyzuje się za pomocą jednego typu polimerazy. Ta ostatnia jest złożona z wielu podjednostek, w której występują 2 składniki:

• enzym rdzeniowy lub główny enzym syntetyzuje łańcuch RNA, składa się z 5 protomerów (podjednostki β, β, ω i 2 α);
• podjednostka pomocnicza, σ, rozpoznaje promotor i pomaga polimerazie w skontaktowaniu się z nim, po czym jest natychmiast rozdzielany.

Kompleks rdzenia i czynnik σ nazywamy holoenzymem.

Syntetyzujące RNA komórki eukariotyczne

Eukariotyczne polimerazy RNA są znacznie bardziej złożone i zawierają więcej podjednostek. Jednak praca tych enzymów wymaga ogromnej ilości czynników białkowych. Te ostatnie pomagają polimerazom rozpoznać i związać się z promotorem (polimeraza bakteryjna jest wystarczająca dla podjednostki sigma), a także uczestniczyć w procesach wydłużania i kończenia.

Istnieją trzy typy eukariotycznych polimerazy RNA: Pol l, Pol ll i Pol lll. Wszystkie są kompleksowymi kompleksami heteromultimerycznymi o masie cząsteczkowej 0,5-0,7 Da. Prędkość eukariotycznych polimerazy wynosi 20 nukleotydów na sekundę.

Ze wszystkich rodzajów enzymów jedynie polimeraza II II syntetyzuje cząsteczki, które służą jako prototyp do budowania wszystkich białek - informacyjnego RNA.

Mechanizm działania enzymu

Polimeraza RNA jest kluczowym enzymem na wszystkich etapach transkrypcji (inicjacji, wydłużania i kończenia). W pierwszym etapie polimeraza wiąże się z promotorem.

Synteza łańcucha RNA zachodzi w fazie wydłużania, podczas której polimeraza gwałtownie przesuwa się wzdłuż łańcucha macierzy, selektywnie katalizuje dodawanie nowych rybonukleotydów (tylko te zasady azotowe, które są komplementarne z parą DNA / RNA są połączone, aby utworzyć wiązania wodorowe). Łańcuch rozciąga się od 5 do 3 końców.

Enzym ma kanał, przez który wchodzą fosforany rybonukleotydowe, centrum aktywne i kanał wyjściowy RNA. Zamknięcie wiązania fosfodiestrowego osiąga się przez hydrolizę związków wysokoenergetycznych. Ten proces przeprowadza się w aktywnym centrum enzymu. Ruch polimerazy RNA ma charakter spastyczny.

Mechanizm transkrypcji na niektórych etapach przypomina proces podwojenia materiału genetycznego (replikacji). Działania polimerazy DNA i polimerazy RNA są bardzo podobne, ponieważ katalizują tę samą reakcję chemiczną. Jednak w pracy tych enzymów istnieje wiele znaczących różnic. Wśród nich są:

• Polimeraza RNA nie potrzebuje podkładu w postaci startera;
• materiał do syntezy RNA nie jest dezoksyrybonukleotydami, ale rybonukleotydami;
• w procesie przesuwania enzymu wzdłuż łańcucha matrycy, hybryda jest oddzielana pomiędzy matrycą i zsyntetyzowanym produktem, podczas gdy jest zachowywana podczas replikacji.

Synteza RNA występuje przeciwrównolegle do sekwencji matrycy. Polimery DNA pracujące na ich drodze wysuwają podwójną helisę przed sobą i oddzielają łańcuchy. Za enzymem zsyntetyzowane RNA zostaje natychmiast przemieszczone, a struktura DNA zostaje przywrócona.