Элонгация

Элонгация (elongation, англ. elongation — удлинение, продолжение, от лат. elongare — удлинять) — этап биосинтеза молекул нуклеиновых кислот (в процессе транскрипции, репликации) или белков (в процессе трансляции) между инициацией и терминацией, в процессе которого последовательно присоединяются мономеры (нуклеотиды или аминокислоты) к растущим цепям макромолекул.

Элонгация репликации ДНК

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) хеликаза, (10) белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) топоизомераза

После инициации репликации репликационные вилки продвигаются по ДНК и осуществляют синтез нитей, комплементарных родительским полинулеотидам. В процессе репликации в области репликативных вилок фермент топоизомераза обеспечивает расплетание цепей материнской ДНК, способствует релаксации сверхспирализованных участков, внося одно- или двухцепочечные разрывы с последующим их восстановлением (лигированием). В области репликативных вилок образуется «репликативный глазок» с помощью фермента ДНК-хеликазы, который гидролизует водородные связи между цепями. В этот момент ДНК-связывающие белки (SSB-белки, от англ. single strand binding — связывающиеся с одной нитью) стабилизируют репликативную вилку, препятствуют восстановлению водородных связей между комплементарными нуклеотидами.

РНК-праймер (затравка), инициирующий фрагмент, антипараллельно и комплементарно соединяется с матрицей. РНК-праймер — короткий одноцепочечный олигонуклеотид, обычно состоит из 40-50 рибонуклеотидов, синтезируется ферментом ДНК-праймазой (ДНК-зависимой РНК-полимеразой). Таким образом ДНК-полимераза начинает присоединение дезоксирибонуклеотидов к 3'-концу РНК-праймера на лидирующей и на отстающей нити ДНК. Обеспечивается процесс элонгации цепи.

Антипараллельность цепей ДНК, возможность синтеза новой цепи только в направлении 5'→3' делают возможным синтез дочерних цепей в репликационной вилке в разных направлениях. Сборка новой полинуклеотидной последовательности происходит непрерывно на матрице 3'→5'. Синтез на матрице 5'→3' выполняется небольшими участками — фрагментами Оказаки (1000—2000 нуклеотидов у прокариот, 100—200 — у эукариот). Непрерывный синтез цепи идёт быстрее, чем фрагментами, эта цепь называется лидирующей, другая — отстающей (запаздывающей). У E.coli при каждом раунде репликации генома необходимо порядка 4000 событий затравливания. У эукариот затравливание происходит с большей частотой. Скорость репликации у прокариот выше — порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту, у эукариот — 500-5000 нуклеотидов в минуту. Точное соответствие комплементарных пар оснований и активность отдельных видов ДНК-полимераз, которые могут распознавать и исправлять ошибки обеспечивают практически безошибочную репликацию (не более одной ошибки на 109—1010 нуклеотидов).

Элонгация транскрипции

У прокариот и у эукариот процесс удлинения растущей цепи мРНК в общих чертах протекает одинаково. РНК-полимераза сдвигается с промотора, перемещается вдоль двойной спирали ДНК в направлении 3'→5', раскручивает спираль перед участком, на котором происходит синтез РНК. На короткое время образуется, так называемый, «открытый» комплекс, внутри которого возникает гибридная спираль ДНК-РНК длиной порядка 20 нуклеотидов. Синтез мРНК идёт согласно принципу комплементарности, затем фермент вновь закручивает ДНК за участком полимеризации. Синтез транскрипта прерывист, периоды быстрой элонгации перемежаются краткими паузами, во время которых активный участок полимеразы подвергается некоторой структурной перестройке. Паузы редко продолжаются более чем 6 миллисекунд и могут сопровождаться обратным перемещением полимеразы по матрице. Выведение РНК-транскрипта из комплекса осуществляется через особый канал на РНК-полимеразе.

Различия элонгации прокариот и эукариот заключаются в длине синтезируемого транскрипта. Самые длинные прокариотические транскрипты несколько тыс. п.н. в длину, могут быть транскрибированы в течение нескольких минут (скорость полимеризации несколько сот нуклеотидов в мин). В генах эукариот обычно присутствует большое количество интронов, должны быть скопированы отрезки значительной длины. Например, на синтез пре-мРНК гена дистрофина человека длиной 2 400 тыс. п.н. тратится порядка 20 часов (скорость полимеризации до 2 000 н. в мин).

Размеры генов эукариот предъявляют особые требования к устойчивости комплекса транскрипции. В ядре клетки работают факторы элонгации — белки, которые соединяются с полимеразой после того, как она освободила промотор и оставила позади факторы инициации транскрипции. У млекопитающих известно о тридцати факторах элонгации. Важность этих факторов демонстрируют мутации, нарушающие их работу. Например, инактивация фактора CSB (подавляет паузы РНК-полимеразы) приводит к развитию синдрому Кокейна — болезни, сопровождающейся пороками развития, задержкой умственного развития.

Ядерные полимеразы эукариот должны преодолевать нуклеосомы, которые присоединены к транскрибируемой матричной ДНК. Факторы элонгации способны модифицировать структуру хроматина. Например, у млекопитающих фактор FACT взаимодействует с гистонами H2A и H2B, по-видимому, влияя на расположение нуклеосом.

Элонгация трансляции

Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок, Р — пептидил-тРНК-связывающий участок, Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы (англ. exit)

На этапе элонгации тРНК, комплементарная второму кодону на мРНК и несущая аминокислоту, поступает в А-сайт рибосомы. Между формилметионином, находящемся в Р-сайте рибосомы, и аминокислотой, доставленной тРНК в А-сайт, в пептидилтрансферазном центре образуется пептидная связь. После образования пептидной связи, полипептид оказывается связанным с тРНК, которая находится в А-сайте. Далее происходит транслокация: деацилированная формилметионил-тРНК перемещается из Р-сайта в Е-сайт, пептидил-тРНК перемещается из А-сайта в Р-сайт, мРНК продвигается на один кодон. Этот процесс сопровождается затратами энергии (ГТФ), также у нём участвует специальный транслокационный белковый фактор (EF-G). Затем тРНК, комплементарная следующему кодону мРНК, связывается с освободившимся А-сайтом рибосомы, происходит повторение выше описанных этапов, с каждым циклом полипептид удлиняется на один аминокислотный остаток.

Примечания

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Элонгация», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Элонгация» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».