Транскрипція і процесинг іРНК

Транскрипція — це синтез молекули РНК на ділянці ДНК (гені) як на матриці. Це одна з ключових реакцій матричного синтезу, завдяки якій спадкова інформація, записана в ДНК, переписується на РНК. Так утворюються всі типи РНК: інформаційна (іРНК, або мРНК), транспортна (тРНК) і рибосомна (рРНК). Кожен тип РНК виконує свою функцію в клітині, але саме іРНК несе код білка до рибосом.

Місце транскрипції залежить від типу клітини. В еукаріотів транскрипція відбувається в ядрі, а також у мітохондріях і пластидах (хлоропластах), які мають власну ДНК. У прокаріотів (бактерій) ядра немає, тому транскрипція відбувається в цитоплазмі, у зоні нуклеоїду. Там іРНК одразу може бути трансльована рибосомами, навіть до завершення синтезу РНК.

Головний фермент транскрипції — РНК-полімераза. Вона розплітає невелику ділянку подвійної спіралі ДНК і з'єднує рибонуклеотиди в ланцюг РНК. На відміну від ДНК-полімерази, яка працює під час реплікації, РНК-полімераза не потребує затравки (праймера) — вона починає синтез безпосередньо з першого нуклеотида.

Матрицею для транскрипції слугує лише один із двох ланцюгів ДНК гена — його називають матричним (або транскрибованим). Другий ланцюг називають кодувальним (або нетранскрибованим). Послідовність кодувального ланцюга збігається з послідовністю іРНК, за одним винятком: у ДНК замість урацилу стоїть тимін. У різних генів матричним може бути то один, то інший ланцюг молекули ДНК — це залежить від розташування промотора.

Будову гена (промотор, кодувальна ділянка, термінатор, екзони й інтрони) докладно пояснює урок «Ген і геном». Тут важливо зрозуміти, як ця будова працює під час транскрипції: РНК-полімераза впізнає промотор, починає синтез із точки старту транскрипції, рухається вздовж матричного ланцюга й зупиняється на термінаторі.

Транскрипція відбувається в три послідовні етапи: ініціація, елонгація та термінація. Кожен етап має свої особливості, які забезпечують точне копіювання інформації з ДНК на РНК.

Ініціація

На етапі ініціації РНК-полімераза впізнає специфічну послідовність ДНК — промотор. Промотор розташований перед кодувальною ділянкою гена й визначає, де саме має початися синтез РНК. Фермент приєднується до промотора, розплітає невелику ділянку подвійної спіралі ДНК (близько 10–20 пар нуклеотидів) і починає синтез із точки старту транскрипції. Важливо: синтез починається не з першого нуклеотида промотора, а з точки старту, яка розташована на кілька нуклеотидів нижче за напрямком транскрипції.

Елонгація

Після ініціації починається елонгація — нарощування ланцюга РНК. РНК-полімераза рухається вздовж матричного ланцюга ДНК у напрямку від 3′- до 5′-кінця. Водночас вона синтезує новий ланцюг РНК у напрямку 5′ → 3′, приєднуючи рибонуклеотиди, комплементарні нуклеотидам матриці. Позаду ферменту подвійна спіраль ДНК відновлюється — ланцюги знову закручуються. Елонгація триває, доки РНК-полімераза не дійде до термінатора.

Термінація

Коли РНК-полімераза досягає термінатора — спеціальної послідовності ДНК, яка позначає кінець гена, — фермент зупиняється й відділяється від ДНК. Новосинтезований ланцюг РНК звільняється. В еукаріотів цей первинний транскрипт називають пре-іРНК (або гетерогенною ядерною РНК). Він містить як екзони, так і інтрони.

Енергію для синтезу РНК постачають рибонуклеозидтрифосфати: АТФ, ГТФ, ЦТФ і УТФ. Під час приєднання кожного нового нуклеотида відщеплюються два фосфатні залишки, і енергія, що вивільняється, використовується для утворення фосфодіестерного зв'язку. Кожен ген може транскрибуватися багаторазово, тому з однієї ділянки ДНК утворюється багато копій іРНК — це дає змогу клітині синтезувати велику кількість потрібного білка.

Під час транскрипції діють правила комплементарності між нуклеотидами ДНК і РНК. Запам'ятай пари: аденін ДНК (А) комплементарний урацилу РНК (У); тимін ДНК (Т) — аденіну РНК (А); гуанін ДНК (Г) — цитозину РНК (Ц); цитозин ДНК (Ц) — гуаніну РНК (Г). Отже, у іРНК ніколи не буває тиміну — його місце займає урацил.

Пряма вправа: матричний ланцюг → іРНК

Розгляньмо приклад. Матричний ланцюг ДНК має послідовність (у напрямку 3′ → 5′): 3′-Т-А-Ц-Г-Г-А-Т-Ц-А-5′. Щоб отримати іРНК, застосуй комплементарність: Т → А, А → У, Ц → Г, Г → Ц. Отримуємо іРНК у напрямку 5′ → 3′: 5′-А-У-Г-Ц-Ц-У-А-Г-У-3′. Кодувальний ланцюг ДНК (5′ → 3′) має послідовність 5′-А-Т-Г-Ц-Ц-Т-А-Г-Т-3′. Зверни увагу: він збігається з іРНК, тільки замість урацилу в ньому тимін. Перевір: кількість нуклеотидів однакова, і в іРНК немає жодного Т.

Обернена вправа: іРНК → ДНК

Якщо дано іРНК, можна відновити обидва ланцюги ДНК. Наприклад, іРНК 5′-Г-А-У-Ц-Ц-А-3′. Матричний ланцюг ДНК будуємо за комплементарністю (пам'ятай: у іРНК У, а в ДНК на його місці Т): 3′-Ц-Т-А-Г-Г-Т-5′. Кодувальний ланцюг ДНК — комплементарний матричному, але записаний у напрямку 5′ → 3′: 5′-Г-А-Т-Ц-Ц-А-3′. Разом матричний і кодувальний ланцюги утворюють дволанцюговий фрагмент гена.

Важливе зауваження

Якщо в умові дано кодувальний ланцюг, іРНК отримують простою заміною Т на У — ніякої комплементарності не потрібно. Тому спершу з'ясуй, який ланцюг дано. Якщо умова каже, що іРНК синтезована на цьому ланцюзі, — він матричний.

Вправа на нуклеотидний склад

У транскрибованому фрагменті РНК до процесингу 18 % аденілових і 34 % уридилових нуклеотидів. Яка частка аденілових нуклеотидів у дволанцюговому фрагменті ДНК, з якого її транскрибовано? Розв'язання: у матричному ланцюзі ДНК навпроти А іРНК стоїть Т (18 %), а навпроти У — А (34 %). У кодувальному ланцюзі навпроти Т матричного стоїть А (18 %), а навпроти А — Т (34 %). У дволанцюговому фрагменті А = Т = (18 + 34) : 2 = 26 %. Правило Чаргаффа (А = Т, Г = Ц) застосовують до дволанцюгової ДНК, а не до одноланцюгової іРНК.

Процесинг — це дозрівання пре-іРНК у ядрі, перш ніж вона вийде в цитоплазму. Первинний транскрипт (пре-іРНК) містить як екзони, так і інтрони, і ще не готовий до трансляції. Процесинг включає три основні події: кепування, поліаденілювання та сплайсинг.

Кеп і поліаденіловий хвіст

До 5′-кінця пре-іРНК приєднується кеп — видозмінений гуаніловий нуклеотид (7-метилгуанозин). Кеп захищає іРНК від руйнування ферментами (екзонуклеазами) й допомагає рибосомі розпізнати іРНК під час ініціації трансляції. До 3′-кінця пре-іРНК приєднується поліаденіловий хвіст — довгий ланцюжок аденілових нуклеотидів (зазвичай 100–200 нуклеотидів). Він також захищає молекулу від деградації й бере участь у регуляції тривалості життя іРНК.

Сплайсинг

Сплайсинг — це вирізання інтронів (некодувальних ділянок) із пре-іРНК і зшивання екзонів (кодувальних ділянок) у зрілу молекулу РНК. Зріла іРНК містить кодувальну послідовність, а також нетрансльовані ділянки (5′-UTR і 3′-UTR) на кінцях. Сплайсинг виконує сплайсосома — великий комплекс, що складається з малих ядерних РНК (мяРНК) і білків. Приклад: якщо пре-іРНК має 4 екзони й 3 інтрони, то після сплайсингу зріла іРНК міститиме лише 4 екзони, зшиті в тому самому порядку.

Вихід у цитоплазму та відмінності від прокаріотів

Зріла іРНК крізь ядерні пори виходить у цитоплазму, де її розпізнають рибосоми й починають трансляцію. У типовій бактеріальній клітині такого ядерного процесингу немає, оскільки в бактерій немає ядра. Крім того, у бактеріальних генах інтрони трапляються рідко, тому сплайсинг не потрібен. У прокаріотів трансляція може початися до завершення транскрипції — це явище називають спряженою транскрипцією-трансляцією.

Альтернативний сплайсинг

Різне поєднання екзонів однієї пре-іРНК — альтернативний сплайсинг — дає змогу отримувати різні білки з одного гена. Наприклад, з однієї пре-іРНК можуть утворитися дві різні зрілі іРНК, якщо один екзон увійде до складу однієї іРНК, але буде вирізаний як інтрон в іншій. Це значно збільшує різноманітність білків, які може синтезувати клітина. Докладніше про це — в уроці «Ген і геном».

Приклад 1. Комплементарність: матричний ланцюг → іРНК

Фрагмент матричного ланцюга ДНК має послідовність 3′-Т-А-Ц-Г-Г-Т-А-Ц-Ц-5′. Яка послідовність іРНК у напрямку 5′ → 3′, синтезованої на ньому?

Розв'язання: застосовуємо правила комплементарності ДНК → РНК: Т → А, А → У, Ц → Г, Г → Ц. Будуємо іРНК нуклеотид за нуклеотидом: навпроти Т → А, навпроти А → У, навпроти Ц → Г, навпроти Г → Ц, навпроти Г → Ц, навпроти Т → А, навпроти А → У, навпроти Ц → Г, навпроти Ц → Г. Отримуємо 5′-А-У-Г-Ц-Ц-А-У-Г-Г-3′.

Ключ: А-У-Г-Ц-Ц-А-У-Г-Г.

Чому інші варіанти неправильні: А-Т-Г-Ц-Ц-А-Т-Г-Г — містить тимін замість урацилу, а в іРНК тиміну не буває; У-А-Ц-Г-Г-У-А-Ц-Ц — це просто заміна Т на У в матричному ланцюзі, без урахування комплементарності; А-У-Ц-Г-Г-А-У-Ц-Ц — змінені лише А і Т, а Г і Ц переписані без змін.

Приклад 2. Нуклеотидний склад ДНК за іРНК

У транскрибованому фрагменті РНК до процесингу 18 % аденілових і 34 % уридилових нуклеотидів. Яка частка аденілових нуклеотидів у дволанцюговому фрагменті ДНК, з якого її транскрибовано?

Розв'язання: у матричному ланцюзі ДНК навпроти А іРНК стоїть Т (18 %), а навпроти У — А (34 %). У кодувальному ланцюзі навпроти Т матричного стоїть А (18 %), а навпроти А — Т (34 %). У дволанцюговому фрагменті А = Т = (18 + 34) : 2 = 26 %.

Ключ: 26 %.

Чому інші варіанти неправильні: 18 % — перенесли частку А з іРНК без перерахунку; 34 % — узяли частку А лише матричного ланцюга; 52 % — додали 18 і 34, але не поділили на 2.

Приклад 3. Сплайсинг пре-іРНК

Ген еукаріотів складається з 4 екзонів і 3 інтронів. Які ділянки залишаться в зрілій іРНК після звичайного сплайсингу?

Розв'язання: під час сплайсингу інтрони вирізаються, а екзони зшиваються в тому самому порядку. Отже, зріла іРНК міститиме лише 4 екзони.

Ключ: лише 4 екзони, зшиті в тому самому порядку.

Чому інші варіанти неправильні: лише 3 інтрони — інтрони вирізаються, а не залишаються; 4 екзони й 3 інтрони — інтрони не входять до зрілої іРНК; екзони й інтрони, переставлені місцями — порядок екзонів не змінюється.

Приклад 4. Два твердження про транскрипцію

Оціни правильність двох тверджень. I: «В еукаріотів транскрипція відбувається в ядрі, а пре-іРНК проходить процесинг ще до виходу в цитоплазму». II: «Під час транскрипції одного гена матрицями одночасно слугують обидва ланцюги ДНК».

Розв'язання: твердження I правильне — в еукаріотів транскрипція справді відбувається в ядрі, і пре-іРНК проходить кепування, поліаденілювання та сплайсинг у ядрі перед виходом у цитоплазму. Твердження II неправильне — матрицею для транскрипції одного гена слугує лише один ланцюг ДНК (матричний), а не обидва.

Ключ: правильне лише I.

• Переписують в іРНК тимін замість урацилу. Завжди перевіряй, що в іРНК не залишилося жодного Т. Якщо бачиш Т у своїй відповіді — помилка.

• Беруть за матрицю не той ланцюг і будують іРНК комплементарно до кодувального ланцюга. Уважно читай умову: якщо сказано, що іРНК синтезована на поданому ланцюзі, — це матричний ланцюг.

• Вважають, що матрицями для одного гена слугують обидва ланцюги ДНК. Насправді матрицею є лише один ланцюг — матричний (транскрибований). Другий ланцюг — кодувальний — не транскрибується.

• Розміщують транскрипцію еукаріотів у цитоплазмі на рибосомах. Насправді транскрипція в еукаріотів відбувається в ядрі, а рибосоми беруть участь у трансляції, а не в транскрипції.

• Плутають РНК-полімеразу (транскрипція) з ДНК-полімеразою (реплікація). РНК-полімераза синтезує РНК на матриці ДНК і не потребує затравки. ДНК-полімераза синтезує ДНК на матриці ДНК і потребує затравки.

• Плутають звичайний сплайсинг пре-іРНК еукаріотів із типовою обробкою бактеріальної іРНК або вважають, що вирізані інтрони залишаються в зрілій молекулі. У бактерій інтрони трапляються рідко, а в еукаріотів інтрони вирізаються повністю.

• Застосовують правило Чаргаффа до одноланцюгової іРНК, хоча в ній кількість А не обов'язково дорівнює кількості У. Правило Чаргаффа (А = Т, Г = Ц) діє лише для дволанцюгової ДНК.

Тема транскрипції та процесингу іРНК входить до теми 1.5 програми НМТ з біології: «Транскрипція, регуляція транскрипції, мозаїчна будова гена еукаріотів». Від тебе вимагають розв'язувати елементарні вправи з транскрипції — зокрема будувати послідовність іРНК за матричним ланцюгом ДНК і навпаки.

Завдання з цієї теми можуть мати форму вибору однієї відповіді з чотирьох (А–Г, завдання 1–24, 0 або 1 бал). Як додаткова тема 1.5 трапляється й у логічних парах (у демоваріанті 2026 року — № 25), а вправа з транскрипції може бути й у завданні з вибором трьох відповідей із трьох груп варіантів (до 3 балів). Розгорнутих відповідей немає, тому записану тобою іРНК треба звірити із запропонованими варіантами.

У демоваріанті НМТ 2026 року завдання № 3 (тема 1.2) перевіряє комплементарність — той самий прийом поелементної добудови ланцюга, який ти використовуєш у вправах на транскрипцію. Довідкових матеріалів на тесті немає, тому пари А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г треба знати напам'ять.

Стратегія: пиши іРНК під матрицею нуклеотид за нуклеотидом, не пропускаючи жодного. Дистрактори побудовано на типових помилках — тимін в іРНК, не той ланцюг, змінені лише А і Т. Якщо ти знайшов у своїй відповіді Т — одразу шукай помилку.

• Транскрипція — синтез РНК на матричному ланцюзі ДНК; фермент — РНК-полімераза; в еукаріотів — у ядрі.

• Пари комплементарності ДНК → РНК: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г; тиміну в іРНК немає.

• Транскрибований фрагмент РНК до процесингу збігається з відповідною кодувальною ДНК із заміною Т на У.

• Ініціація на промоторі → елонгація (РНК росте 5′ → 3′) → термінація на термінаторі.

• Процесинг: кеп на 5′-кінці, поліаденіловий хвіст на 3′-кінці, сплайсинг — інтрони вирізають, екзони зшивають.

• У типовій бактеріальній іРНК немає інтронів, і трансляція може початися ще під час транскрипції.