1 етап. Транскрипція ДНК. На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежною РНК-полімерази добудовується комплементарнаяцепь мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрібіруемой ланцюга ДНК з тією різницею, що замість дезоксирибонуклеотидов в її склад входять рибонуклеотиди, до складу яких замість тиміну входить урацил.
2 етап. Процесинг (дозрівання) мРНК. Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворенням. У більшості випадків вихідна молекула мРНК розрізається на окремі фрагменти. Одні фрагменти - інтрони - розщеплюються до нуклеотидів, а інші - екзонів - зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називаетсясплайсінг.
3 етап. Трансляція мРНК. Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію (початок), елонгацію (продовження) і терминацию (закінчення).
Ініціація. Сутність ініціації полягає в утворенні пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.
Елонгація. Сутність елонгації полягає в приєднанні наступних амінокислот, тобто в нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзавісімого зв'язування мРНК і аміноацил-тРНК на А -участке, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючої поліпептидного ланцюгом і транслокації із звільненням А -участка.
Терминация. Полягає в закінченні синтезу поліпептидного ланцюга.
Зрештою, рибосома досягає такого кодону мРНК, якому не відповідає жодна тРНК (і жодна амінокислота). Існує три таких нонсенс-кодони: УАА ( «охра»), УАГ ( «бурштин»), УГА ( «опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми переривається, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову розділяється на субодиниці.
Альтернативний сплайсинг - процес, в ході якого Екзони, що вирізаються з пре-мРНК, об'єднуються в різних комбінаціях, що породжує різні форми зрілої мРНК. В результаті один ген може породжувати не одну, а безліч форм білка.
Як здійснюється регуляція синтезу окремих білків, ми розглянемо на прикладі відносно просто влаштованої бактеріальної клітини. Відомо, що, поки в живильне середовище, в якому живе бактерія, що не доданий цукор, в клітці немає ферментів, необхідних для його розщеплення. Бактерія не витрачає енергію АТФ на синтез білків, непотрібних їй в даний момент. Однак через кілька секунд після додавання цукру в клітці синтезуються всі ферменти, послідовно перетворюють його в продукт, необхідний для життєдіяльності бактерій. Замість цукру може бути іншу сполуку, поява якого в клітці «включає» синтез ферментів, що розщеплюють його до кінцевого продукту. З'єднання, які в клітці піддаються дії ферментів, називаються субстратами.
Ферменти, що беруть участь в одного ланцюга перетворення субстрату в кінцевий продукт, закодовані в розташованих один за одним генах одного оперону. Між цими генами, званими структурними (так як вони визначають структуру ферментів), і промотором - посадочним майданчиком для РНК-полімерази є особлива ділянка ДНК - оператор. Він так називається тому, що саме з нього починається операція - синтез іРНК. З оператором взаємодіє спеціальний білок - репрессор. Поки репрессор «сидить» на операторі, полімераза не може зрушити з місця і почати синтез іРНК (рис. 25).
Мал. 25. Схема регуляції транскрипції і трансляції у бактерій. РНК-пол - РНК-полімераза; Р1 і Р2 - різні білки-репрессори; Ф1, Ф2, ФЗ - ферменти
Коли в клітку потрапляє субстрат А, для розщеплення якого потрібні ферменти Ф-1, Ф-2, Ф-3, закодовані в структурних генах оперона А, одна з молекул субстрату зв'язується з репрессором, що заважає зчитувати інформацію про ці ферментах. Репрессор, пов'язаний молекулою субстрату, втрачає здатність взаємодіяти з оператором, відходить від нього і звільняє дорогу РНК-полімерази. Полімераза синтезує іРНК, яка забезпечує на рибосомах синтез ферментів, що розщеплюють субстрат А. Як тільки остання молекула субстрату А буде перетворена в кінцевий продукт, звільнений репрессор повернеться на оператор і закриє шлях полімеразі. Транскрипція і трансляція припиняються; іРНК і ферменти, виконавши свої функції, розщеплюються відповідно до нуклеотидів і амінокислот.
Інший оперон, що містить групу генів, в яких закодовані ферменти для розщеплення субстрату Б, залишається закритим до надходження в клітину молекул цього субстрату (рис. 25). У ряді випадків кінцеві продукти одних ланцюгів перетворень можуть служити субстратами для нових біохімічних конвеєрів. Не кожен оперон має кілька структурних генів, є Оперон, які містять лише один ген. Кількість структурних генів в оперон залежить від складності біохімічних перетворень того чи іншого субстрату.
МікроРНК - малі некодуючі молекули РНК довжиною 18-25 нуклеотидів (в середньому 22), виявлені у рослин, жівотнихі деяких вірусів, які беруть участь в транскрипционной і посттранскіпціонной регуляції експресії генів. МікроРНК грають важливу роль в регуляції експресії генів. МікроРНК комплементарні певного фрагменту на одній або декількох мРНК. МікроРНК тварин зазвичай комплементарні 3'-UTR, в той час як мікроРНК рослин, як правило, комплементарні кодує частини мРНК. При повному або майже повне спаровування підстав між мікроРНК і мРНК-мішенню запускає руйнування мішені.
Геном людини - сукупність спадкового матеріалу, укладеного в клітці людини. Людський геном складається з 23 пар хромосом, що знаходяться в ядрі, а також мітохондріальної ДНК. Двадцять дві пари аутосом, двеполовие хромосоми Х і Y, а також мітохондріальна ДНК людини містять разом приблизно 3,1 млрд пар основ.
В ході виконання проекту «Геном людини» була визначена послідовність ДНК всіх хромосом і мітохондріальної ДНК. В даний час ці дані активно використовуються по всьому світу в біомедичних дослідженнях.