РНК-полимераза — описание, функции и действие

В любой клетке путь реализации генетической информации начинается с транскрипции, то есть с синтеза молекулы РНК на основе ДНК матрицы. РНК -полимераза является основным действующим ферментом этого процесса. Именно она строит цепь рибонуклеотидов, которая необходима для белкового синтеза.

Для всех представителей клеточной формы жизни характерен только один тип РНК-полимеразы — ДНК-зависимая. Однако существует фермент, способный синтезировать рибонуклеиновую кислоту на основе РНК-матрицы. Такая разновидность фермента (РНК-зависимая РНК-полимераза) встречается только у вирусов.

Основные сведения о ферменте

Любая РНК-полимераза представляет собой белок, способный связываться с молекулой нуклеиновой кислоты и, двигаясь по ней, катализировать образование фосфодиэфирной связи между рибонуклеотидами. Этот процесс требует затраты энергии.

процесс синтеза РНК

Материалом для синтеза РНК служат рибонуклеозидтрифосфаты (аденин, гуанин, цитозин и урацил), которые подбираются комплементарно матричной последовательности. Чтобы начать синтезировать РНК, полимераза должна связаться с особой последовательностью в геноме, которая называется промотором. Этот участок является посадочной площадкой для фермента.

Любой транскриптон обязательно содержит промотор, предваряющий кодирующую последовательность. Именно на этапе присоединения РНК-полимеразы к промотору происходит регуляция экспрессии определенных генов. От того, насколько успешно фермент с ним про взаимодействует, зависит, будет ли идти транскрипция.

Роль РНК-полимеразы в транскрипции

Главное предназначение этого фермента заключается в синтезе полинуклеотидной последовательности на основании матричной цепи. Для выполнения этой задачи РНК-полимераза осуществляет целый ряд функций, включая:

  • распознавание промотора;
  • подбор нуклеотидов в цепь по комплементарному принципу;
  • замыкание фосфодиэфирных связей между нуклеотидами;
  • расплетание участка ДНК и разрезание двойной спирали;
  • устранение ошибок в синтезированной цепи.

Последние две функции характерны только для сложно устроенных полимераз, работающих на основе ДНК.

Разновидности РНК-полимераз

РНК-синтезирующие ферменты различаются не только по типу матрицы, на которых они работают (ДНК либо РНК), но и по сложности строения. На основании этого критерия выделяют 2 группы РНК-полимераз:

  • Состоящие из одной субъединицы — характерны для некоторых фагов, а также для митохондрий и хлоропластов эукариот. В последнем случае односубъединичными являются только те полимеразы, которые кодируются малыми ядерными ДНК, а не самими органеллами.
  • Включающие в состав несколько субъединиц.

Простые полимеразы не требуют участия регуляторных элементов и работают на небольших геномах. Функционал сложных полимераз гораздо шире. Каждая субъединица в составе фермента выполняет свою задачу.

Все РНК-полимеразы обладают общим принципом действия, но различаются по строению и условиям функционирования, которые у разных таксонов живых организмов не одинаковы. Исходя из этого выделяют РНК-синтезирующие ферменты:

  • прокариот (бактерий и архей);
  • эукариот;
  • вирусов.

Отдельно классифицируют РНК-полимеразы эукариот. Эти организмы имеют несколько разновидностей фермента, предназначенных для синтеза разных типов РНК.

РНК-полимеразы прокариот

У бактерий для все виды РНК синтезируются одним видом полимеразы. Последняя представляет собой многосубъединичный комплекс, в котором выделяют 2 составных части:

  • кор-фермент или основной фермент синтезирует цепь РНК, состоит из 5 протомеров (β, β`, ω и 2 субъединицы α);
  • вспомогательная субъединица σ — узнает промотор и помогает полимеразе связаться с ним, после чего сразу отделяется.

Комплекс из кор-фегмента и σ-фактора называют холоферментом.

молекулярная структура холофермента

РНК-синтезирующие ферменты эукариотической клетки

Эукариотические РНК-полимеразы устроены значительно сложнее и в их состав входит большее количество субъединиц. Однако, для работы этих ферментов требуется огромное количество белковых факторов. Последние помогают полимеразам распознавать и связываться с промотором (полимеразе бактерий достаточно субъединицы сигма), а также участвуют в процессах элонгации и терминации.

молекулярная структура эукариотических РНК-полимераз

Различают три вида эукариотических РНК-полимераз: Pol l, Pol ll и Pol lll. Все они представляют собой сложные гетеромультимерные комплексы с молекулярной массой 0,5-0,7 Да. Скорость работы эукариотических полимераз составляет 20 нуклеотидов в секунду.

характеристика РНК-полимераз у эукариот
виды синтезируемых РНК количество субъединиц в составе фермента
l тип рибосомальные РНК (рРНК) 14
ll тип

матричные РНК (мРНК), малые ядерные РНК (мяРНК)

12
lll тип транспортные РНК (рРНК), 5S-РНК, низкомолекулярные РНК (7SL, 7SK, U6, MRP млекопитающих и др.) 17

Из всех типов фермента только РНК-полимераза ll синтезирует молекулы, служащие прототипом для построения всех белков, — матричные РНК.

Механизм действия фермента

РНК-полимераза является ключевым ферментом на всех стадиях транскрипции (инициации, элонгации и терминации). На первом этапе полимераза связывается с промотором.

Синтез цепи РНК происходит на стадии элонгации, во время которой полимераза скачкообразно движется по матричной цепи, избирательно катализируя присоединение новых рибонуклеотидов (в цепь включаются только те азотистые основания, которые комплементарно спариваются с ДНК/РНК, образуя водородные связи). Цепь удлиняется в направлении от 5 к 3 концу.

принцип синтеза РНК

Фермент имеет канал, через который поступают рибонуклеотидфосфаты, активный центр и канал выхода РНК. Замыкание фосфодиэфирной связи осуществляется за счет гидролиза макроэргических соединений. Этот процесс осуществляется в активном центре фермента. Движение РНК-полимеразы имеет скачкообразный характер.

схема работы РНК-полимеразы

Механизм транскрипции на определенных этапах напоминает процесс удвоения генетического материала (репликации). Действия ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы очень похожи, поскольку они катализируют одну и ту же химическую реакцию. Однако, в работе этих ферментов есть ряд существенных отличий. Среди них:

  • для работы РНК-полимеразы не нужна затравка в виде праймера;
  • материалом для синтеза РНК служат не дезоксирибонуклеотиды, а рибонуклеотиды;
  • в процессе продвижения фермента по матричной цепи происходит разъединение гибрида между матрицей и синтезированным продуктом, тогда как во время репликации он сохраняется.

Синтез РНК происходит антипараллельно матричной последовательности. Работающие на ДНК полимеразы по ходу продвижения раскручивают перед собой двойную спираль и разделяют цепи. Позади фермента синтезированная РНК сразу вытесняется, а структура ДНК восстанавливается.