Що стосується матричного синтезу. Матричний синтез полімерів із заданою первинною структурою

Матричний синтез є утворенням біополімеру, послідовність ланок в якому визначається первинною структуроюіншої молекули. Остання виконує роль матриці, "диктує" необхідний порядок складання ланцюга. У живих клітинах відомі три біосинтетичні процеси, заснованих на цьому механізмі.

Які молекули синтезуються на основі матриці

До реакцій матричного синтезу відносять:

• реплікацію – подвоєння генетичного матеріалу;
• транскрипцію - синтез рибо нуклеїнових кислот;
• трансляцію – виробництво білкових молекул.

Реплікація являє собою перетворення однієї молекули ДНК на дві ідентичні один одному, що має величезне значеннядля життєвого циклу клітин (мітоз, мейоз, подвоєння плазмід, поділ бактеріальних клітині т.д.). Дуже багато процесів засновані на "розмноженні" генетичного матеріалу, а матричний синтез дозволяє відтворити точну копію будь-якої молекули ДНК.

Транскрипція і трансляція є дві стадії реалізації геному. При цьому спадкова інформація, записана в ДНК, перетворюється на певний білковий набір, від якого залежить фенотип організму. Цей механізм іменується шляхом "ДНК-РНК-білок" і становить одну з центральних догм молекулярної біології.

Реалізація цього принципу досягається за допомогою матричного синтезу, який сполучає процес утворення нової молекули з "вихідним зразком". Основою такого поєднання є фундаментальний принцип комплементарності.

Основні аспекти синтезу молекул на основі матриці

Інформація про структуру синтезованої молекули міститься в послідовності ланок самої матриці, до кожного з яких підбирається відповідний елемент "дочірнього" ланцюга. Якщо хімічна природасинтезованої та матричної молекул збігаються (ДНК-ДНК або ДНК-РНК), то сполучення відбувається безпосередньо, тому що кожен нуклеотид має пару, з якою може зв'язатися.

Для синтезу білка потрібен посередник, одна частина якого взаємодіє з матрицею за механізмом нуклеотидної відповідності, а інша приєднує білкові ланки. Таким чином, принцип комплементарності нуклеотидів працює і в цьому випадку, хоч і не пов'язує безпосередньо ланки матричного та синтезованого ланцюгів.

Етапи синтезу

Всі процеси матричного синтезу поділені на три етапи:

• ініціація (початок);
• елонгація;
• термінація (закінчення).

Ініціація є підготовкою до синтезу, характер якої залежить від виду процесу. Головною метоюцій стадії є приведення системи фермент-субстрат у робочий стан.

Під час елонгації безпосередньо здійснюється нарощування синтезованого ланцюга, при якому між підібраними згідно матричної послідовності ланками замикається ковалентний зв'язок(Пептидна або фосфодіефірна). Термінація призводить до зупинки синтезу та звільнення продукту.

Роль комплементарності у механізмі матричного синтезу

Принцип комплементарності ґрунтується на вибірковій відповідності азотистих основ нуклеотидів один одному. Так, аденіну як пару підійдуть тільки тімін або урацил (подвійний зв'язок), а гуаніну - цитозин (3 потрійний зв'язок).

У процесі синтезу нуклеїнових кислот із ланками одноланцюжкової матриці зв'язуються комплементарні нуклеотиди, вишиковуючись у певну послідовність. Таким чином, на підставі ділянки ДНК ААЦГТТ при реплікації може вийти тільки ТТГЦАА, а транскрипції - УУГЦАА.

Як було зазначено вище, білковий синтез відбувається з участю посередника. Цю роль виконує транспортна РНКяка має ділянку для приєднання амінокислоти та нуклеотидний триплет (антикодон), призначений для зв'язування з матричною РНК.

У цьому випадку комплементарний підбір відбувається не по одному, а по три нуклеотиди. Оскільки кожна амінокислота специфічна лише одного виду тРНК, а антикодон відповідає конкретному триплету в РНК, синтезується білок з певною послідовністю ланок, що закладена в геномі.

Як відбувається реплікація

Матричний синтез ДНК відбувається за участю безлічі ферментів та допоміжних білків. Ключовими компонентами є:

• ДНК-хеліказу - розплітає подвійну спіраль, руйнує зв'язок між ланцюгами молекули;
• ДНК-лігаза – "зашиває" розриви між фрагментами Оказаки;
• праймаза - синтезує затравку, необхідну для роботи ДНК-синтезуючого фрагмента;
• SSB-білки - стабілізують одноланцюгові фрагменти розплетеної ДНК;
• ДНК-полімерази - синтезують дочірній матричний ланцюг.

Хеліказу, праймазу та SSB-білки готують ґрунт для синтезу. У результаті кожен з ланцюгів вихідної молекули стає матрицею. Синтез здійснюється з величезною швидкістю (від 50 нуклеотидів за секунду).

Робота ДНК-полімерази відбувається в напрямку від 5` до 3`-кінцю. Через це на одному з ланцюгів (лідируючою) синтез відбувається по ходу розплітання і безперервно, а на інший (відстає) - в зворотному напрямкута окремими фрагментами, названими "Оказаки".

Y-подібна структура, утворена в місці розплетення ДНК, називається вилкою реплікації.

Механізм транскрипції

Ключовим ферментомтранскрипції є РНК-полімераза. Остання буває декількох видів і відрізняється за будовою прокаріотів і еукаріотів. Однак механізм її дії скрізь однаковий і полягає в нарощуванні ланцюга рибонуклеотидів, що комплементарно підбираються із замиканням фосфодіефірного зв'язку між ними.

Матричною молекулою для цього процесу є ДНК. На її основі можуть створюватись різні типиРНК, а не лише інформаційні, що використовуються у білковому синтезі.

Ділянка матриці, з якого списується послідовність РНК, називається транскриптоном. У його складі є промотор (місце для приєднання РНК-полімерази) та термінатор, на якому синтез зупиняється.

Трансляція

Матричний синтез білка і в прокаріотів, і в еукаріотів здійснюється в спеціалізованих органоїдах - рибосомах. Останні складаються з двох субодиниць, одна з яких (мала) служить для зв'язування тРНК та матричної РНК, а інша (велика) бере участь в утворенні пептидних зв'язків.

Початку трансляції передує активація амінокислот, тобто приєднання їх до відповідних транспортних РНК з утворенням макроергічного зв'язку, за рахунок енергії яких згодом здійснюються реакції транспептидування (приєднання до ланцюга чергової ланки).

У процесі синтезу також беруть участь білкові фактори та ГТФ. Енергія останнього необхідна просування рибосоми матричного ланцюга РНК.

Як уже згадувалося (стор. 59), найважливіші біополімери – білки та нуклеїнові кислоти – синтезуються в живому організмі шляхом матричної поліконденсації. Для здійснення матричного синтезу полімеру необхідна макромолекула-матриця, що несе всю інформаціюпро первинну структуру макромолекули, що синтезується. У ході синтезу відбувається «зчитування» цієї інформації, та різні мономеривступають у реакції синтезу у визначеному порядку. Для цього необхідно, щоб кожен мономер «пізнавав» те місце на макромолекулі-матриці, де «записана» інформація саме про цей мономер. Іншими словами, необхідне якесь структурна відповідністьміж молекулою мономеру та відповідною йому ділянкою матриці; цю відповідність прийнято називати комплементарністю(у деяких російськомовних джерелах зустрічається написання «компл іментарність»; справа, ймовірно, у тому, що англійське слово зomple mentary вимовляється як ‘ kompli ment ry).

Принцип комплементарності макромолекули-матриці та синтезованого полімеру може бути використаний для синтезу полімерів з певною первинною структурою будь-якимметодом (і полімеризацією  та поліконденсацією); ведуться дослідження з матричного отримання синтетичних кополімерів. Однак, до цього часу єдиними ефективними прикладами матричних синтезів полімерів є синтези білків і нуклеїнових кислот шляхом матричної поліконденсації. Всі ці синтези протікають у ході генетичних процесів, насамперед - реплікації, транскрипціїі трансляції(синтез невеликих ділянок ДНК протікає також у ході ще одного генетичного процесу- Репарації).

У всіх цих випадках матрицею є макромолекула нуклеїнової кислоти: при реплікації та транскрипції – ДНК, при трансляції – матричної (інформаційної) РНК Комплементарне впізнання здійснюється: А. При реплікації та транскрипції (а також репарації) – між нуклеотидними ланками макромолекули матриці та мономерами (нуклеозидтрифосфатами); Б. При трансляції – між нуклеотидними ланками макромолекули – матриці та нуклеотидними ланками антикодонів. Це впізнання здійснюється шляхом утворення водневих зв'язків між гетероциклічними основами: для ДНК у парах аденін-тимін (A-T, Ade-Thy) та гуанін-цитозин (G-C, Gua-Cyt), для РНК – у парах аденін-урацил (А-U, Ade-Ura) та гуанін-цитозин. У парах А-Тта А-U утворюються два водневі зв'язки, у парі G-C – три:

Ці пари мають абсолютно однаковий розмір (1085 нм); це уможливлює побудову регулярних вториннихструктур (насамперед подвійний спіралі ДНК).

Реплікація, транскрипція та трансляція починаються та закінчуються у строго визначених місцяхмакромолекули-матриці (іншими словами, для матричних синтезів існують «старт-сигнал» та «стоп-сигнал»). Початок цих процесів називають ініціацією, процес формування полімерного ланцюга – елонгацією,закінчення – термінацією.Усі ці процеси протікають при каталізі кількома ферментами.

Реплікація.У ході цього генетичного процесу відбувається подвоєннямолекул ДНК, тобто. копіюваннягенетичної інформації Суть процесу - розплетення подвійної спіралі ДНК на поодинокі ланцюги; кожна з них є матрицею для синтезу нового (дочірнього) ланцюга з мономерів – дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатів.Синтез каталізується ферментами ДНК-полімеразами, які здійснюють лінійнийсинтез (тобто на кожній стадії формування ланцюга взаємодіють полімер і мономер) у напрямку 5'→3' (тобто на кожній стадії реагують 3'-кінцева група ВІН полімеру та 5'-трифосфатна група мономеру:

Оскільки кожен мономер дізнається свою ділянку, дочірня ланцюг є точну копію що відокремилася [якщо в ході синтезу все ж таки до ланцюга приєднується «неправильний» мономер (тобто не комплементарний своїй ланці матриці), то фермент здійснює корекцію - відщеплює цю ланку].

Подвійний зв'язок починає розплітатися в певному місці; синтез дочірніх ланцюгів починається відразу за початком розплетення подвійний спіралі; подвійна спіраль продовжує розплітатися, а за розплетенням (рухом «реплікативної вилки») йде нарощування дочірніх ланцюгів. При цьому на двох одиночних ланцюгах-матрицях синтез йде за різними схемами.Справа в тому, що у подвійній спіралі вихідної (материнської) ДНК ланцюга орієнтовані антипаралельно; тому для одного ланцюга реплікативна вилка рухається у напрямку 5'→3' (ця ланцюг називається ведучою), а для іншої – у напрямку 3'→5' (цей ланцюг називається відстаючої). Оскільки синтез дочірнього ланцюга може йти тількиу напрямку 5'→3', то на ведучоюланцюга вона синтезується у тому ж напрямку, Що і рух вилки, а на відстаючої – у протилежномунапрямі. Тому на провідному ланцюгу йде безперервнийсинтез «навздогін» руху вилки, а на відстаючій – уривчастийу вигляді окремих фрагментів, званих фрагментами Оказаки(поки синтезується один фрагмент, вилка рухається у зворотному напрямку і звільняється місце на матриці; тоді синтез цього фрагмента припиняється, і на місці, що звільнився, починається синтез другого фрагмента і т.д.):

Після закінчення синтезу фрагменти оказаків зшиваються спеціальними ферментами (лігазами) в один ланцюг. Таким чином, на одному ланцюзі (провідному) йде суто лінійний синтез, а на іншому – відстаючій – блоковий (конвергентний).

Дочірні ланцюги утворюють з материнськими ланцюгами подвійні спіралі– копії вихідних подвійних спіралей.

Полімеразна ланцюжкова реакція(ампліфікація фрагментів ДНК)

Відносно недавно (К. Малліс, 1988) розроблено методику, що дозволяє проводити процес, подібний до реплікації, не в організмі, а «в колбі» ( in vitro) . Такий процес отримав назву полімеразної ланцюгової реакції, ПЛР (Polymerase Chain Reaction, PCR) . Полімеразна ланцюгова реакція дозволяє багаторазово збільшувати кількість спочатку взятої ДНК; таке збільшення кількості (розмноження) прийнято позначати терміном « ампліфікація».Ампліфікації за способом ПЛР піддається не вся нативна ДНК, а її фрагменти, що містять гени, що цікавлять дослідника. Для отримання таких фрагментів нативну ДНК піддають специфічному розщепленню ( рестрикції)спеціальними ферментами – рестриктазами(будуть розглянуті надалі). Необхідна умова для ампліфікації: для фрагмента, що ампліфікується, повинна бути відома первинна структура з 3'- кінців обох ланцюгів приблизно на 20-30 ланок.

Для проведення полімеразної ланцюгової реакції необхідно мати праймери –олігонуклеотиди довжиною 20-30 ланок, комплементарні первинним структурам обох ланцюгів з 3 'кінців.Синтез таких олігонуклеотидів розроблений досить добре.

Для проведення ПЛР в реакційну посудину поміщають фрагмент ДНК, що ампліфікується, додають великий надлишокобох праймерів та мономерів – дезоксирибонуклеотид – 5'-трифосфатів - та вводять ДНК-полімеразу; зазвичай використовують термостійкуполімеразу, виділену з термобактерій. Суміш нагрівають до 95°С; при цьому подвійна спіраль фрагмента, що ампліфікується, ДНК розпадається на одиночні ланцюги; потім швидко охолоджують до 60°С; при цьому праймери координуються з комплементарними ним 3'-кінцями кожного ланцюга. Це більш імовірно, ніж відтворення подвійної спіралі, що розпалася, т.к. праймери перебувають у надлишку. Праймери, асоційовані з ланцюгами, є затравками для матричного синтезу ДНК з мономерів, який каталізується ДНК-полімеразою. Синтез йде у напрямку 5'→3'; на кожному ланцюгу синтезується комплементарний їй другий ланцюг і, отже, кількість ДНК подвоюється. Далі цикл нагрівання-охолодження повторюється; кожна з макромолекул ДНК знову подвоюється і т.д. Таким чином, вдається провести кілька циклів та багаторазово збільшити кількість ДНК; великий надлишок праймерів та мономерів це дозволяє зробити. Проведення ПЛР представлено на наведеній нижче схемі; для спрощення зображені праймери довжиною 7 ланок, хоча насправді вони помітно довші (20-30 ланок):

Синтез полінуклеотидних ланцюгів йде, зрозуміло, за тією ж схемою (полімер + мономер), що і за нормальної реплікації (стор. 91).

Транскрипція.У ході цього процесу відбувається передачаінформації від ДНК на матричну(інформаційну) ДНК (а також на транспортні та рибосомальні РНК). Процес має багато спільного з реплікацією: макромолекула ДНК є матрицею синтезу макромолекули РНК з мономерів – рибонуклеозид-5’-трифосфатів;синтез також починається з розплетення подвійної спіралі ДНК і протікає у напрямку 5'→3' за лінійною схемою при каталізі ферментами РНК-полімеразами. Проте є й важливі особливості: 1) На відміну реплікації, матрицею служить тільки один ланцюгвихідної ДНК (так званий мінус-ланцюг); 2) Синтезований ланцюг не утворює подвійну спіраль з молекулою-матрицею, а відокремлюється у вигляді одиничного ланцюга;молекула - матриця знову утворює подвійну спіраль з раніше відокремленим ланцюгом ДНК (плюс-ланцюгом): подвійна спіраль ДНК-ДНК стійкіша за спіраль ДНК-РНК:

І при реплікації та транскрипції синтезуються високомолекулярні полінуклеотидні ланцюги з високою швидкістю(У еукаріотів -1000-3000 ланок на хв., У прокаріотів - до 50000 тис. ланок на хв.). А. Швидкістьпроцесу обумовлено: 1. Точною просторовою орієнтацією реагуючих частинок: 5'-трифосфатна група мономеру точно підводиться до 3'-ОН-кінцевої ланки синтезованого ланцюга; це відбувається у процесі комплементарного впізнавання; 2. Ферментативним каталізом, Який, як відомо, найбільш ефективний. Матричний синтез нуклеїнових кислот, на відміну від нематричного, не вимагає захисту. зайвих груп»: Наведені фактори забезпечують абсолютну специфічність взаємодії функціональних груп. Б. Висока молекулярна масасинтезованого полімеру досягається повним видаленнямнизькомолекулярного продукту реакції – пірофосфату, яких гідролізується до фосфату [як згадувалося (стор. 72), синтез нуклеїнових кислот відноситься до рівноважнийполіконденсації].

Трансляція. Матричний біосинтезполіпептидів.У результаті трансляції відбувається передача генетичної інформації від матричної РНК (мРНК) на білок.

Матрицею для синтезу поліпептидного ланцюга служить молекула мРНК; при цьому виникає проблема перекладу інформації з 4-літерного «алфавіту» РНК на 20-літерний «алфавіт» поліпептидного ланцюга (одне із значень терміна «трансляція» – переклад). Іншими словами, необхідне існування структурної відповідності між певними ділянками РНК-матриці та певними мономерами для синтезу поліпептидів - α-амінокислотами. Ця відповідність отримала назву білкового коду.Код є триплетним: кожна амінокислота відповідає ділянці мРНК, що містить три нуклеотидні ланки; інакше кажучи, вона кодується триплетомнуклеотидних ланок; такий триплет називається кодоном.Сукупність всіх кодонів - білковий код.

Білковий код є виродженим- Більшість α-амінокислот кодується більш ніж одним кодоном.Кодони, що кодують ту саму амінокислоту, називають синонімічні; як правило, перші дві ланки синонімічних кодонів однакові, а третя різниться: наприклад, пролін ( Pro) кодується чотирма кодонами: CSU, CCA, CCC, CCG. З 64 кодонів (це число можливих поєднань з чотирьох типів ланок по три) 61 кодують -амінокислоти, а три не кодують нічого; вони називаються термінальнимиабо стоп-кодонами;на цих ділянках матриці синтез поліпептиду зупиняється. Код, як правило, не перекривається, кодони йдуть «встик» один за одним: якщо, наприклад, у послідовності GAAUGUCCG перші три ланки (GAA) кодують одну амінокислоту, то другі три (UGU) – другу, а треті (CCG) – третю ; в той же час, наприклад, триплет AAU тут кодоном не є.

Білковий код був розшифрований у 60-х роках ХХ століття завдяки використанню синтетичних матриць – продуктів поліконденсації олігонуклеотидів (стор. 89).

α-амінокислоти не можуть безпосередньодізнаватися відповідні їм кодони, оскільки ні прямої комплементарностіміж їхніми структурами. Впізнавання здійснюється за допомогою молекул- посередників(адапторів або зовсім по-російському - перехідників) – молекул, які можуть специфічнокоординуватися з одного боку з кодонами, а з іншого – з відповідними α-амінокислотами. Такими адапторами є транспортні РНК(ТРНК) – порівняно низькомолекулярні полінуклеотиди (73-85 нуклеотидних ланок); ці РНК розчинні і дуже мобільні, що дозволяє їм виконувати транспортну функцію – доставку амінокислот до матриці. Транспортна РНК має специфічну просторову структуру («конюшинного листа»); один із фрагментів цієї структури («акцепторне стебло») специфічнозв'язується зі своєюα-амінокислотою (і лише з нею!); інший фрагмент («антикодонова петля») містить триплет нуклеотидних ланок, комплементарнихкодону, що кодує саме цю амінокислоту; цей триплет називають антикодоном(наприклад, якщо амінокислота кодується триплетом UСA, то її тРНК антикодон – AGU).

Перед процесом власне трансляції відбувається впізнавання α-амінокислотами «своїх» тРНК і далі ковалентне зв'язування з ними з утворенням складного ефіру за 3'-кінцевою ланкою «акцепторного стебла» - аміноацил-тРНК:

Ковалентне зв'язування відбувається за участю 5'-аденозинтрифосфату (АТР, рррА), який постачає необхідну для цього енергію (розщеплюючись до аденозинмонофосфату та пірофосфату). Утворення аміноацил-тРНК каталізуються ферментами – аміноацил-тРНК-синтетазами; кожна з них дізнається з одного боку "свою" α-амінокислоту, а з іншого - "свою" тРНК ("подвійний контроль", що практично виключає помилки при впізнанні).

Далі т-РНК транспортує пов'язану з нею -амінокислоту до матриці, де і відбувається «складання» поліпептидного ланцюга. Матриця - мРНК - утворює комплекс з рибосомою– клітинною органелою, що є специфічним комплексом рибосомальних РНК з білками. Рибосома в ході синтезу переміщається вздовж ланцюга мРНК від кодону до кодону (це переміщення називається транслокацією). Саме на рибосомі відбувається синтез поліпептидного ланцюга. Опускаючи опис будови рибосоми, відзначимо, що на ній є два центри зв'язування – А-центр(амінокислотний) та Р-центр(пептидний), які беруть безпосередню участь у синтезі.

Знову-таки, опускаючи початок (ініціацію) процесу трансляції, розглянемо одиничний цикл елонгації – сукупність процесів, при яких поліпептидний ланцюг збільшується. на одну ланку(рис. 9)

Один цикл елонгації включає три етапи. Перед першим етапом Р-центр зайнятий тРНК, пов'язаної з С-кінцевою ланкою поліпептидного ланцюга, що формується; А-центр вільний і знаходиться у кодону, що кодує наступнуамінокислоту. на першимНа етапі (1) тРНК, пов'язана з цією наступною амінокислотою (тут – фенілаланіном), дізнається кодон цієї амінокислоти (за допомогою антикодону) і координується з ним, закріплюючись на А-центрі. При цьому дуже важливо, що пептидний ланцюг на Р-центрі та чергова амінокислота точно орієнтованіодин по відношенню до друга – група NH 2 чергової амінокислоти точно «націлена» на складноефірний карбоніл С-кінцевої ланки пептидного ланцюга. Така орієнтація обумовлена ​​специфічною структурою рибосоми. Точна орієнтація дозволяє дуже ефективно здійснити ключовий другийетап (2) – утворення пептидного зв'язку(Конденсацію). Ця реакція йде за типом амінолізу складного ефіру; "спиртова" компонента - тРНК - витісняється і залишається на Р-центрі, а пептидна ланцюг, що подовжилася на одну ланку, тепер пов'язана з новою молекулою тРНК, прикріпленою до А-центру.

Утворення пептидного зв'язку каталізується ферментом - пептидилтрансферазою - і протікає з дуже великою швидкістю- За час порядку 10 -2 - 10 -3 сек.

Далі слідує третійетап (3), що складається із трьох стадій. На першій стадії звільнена тРНК попередньої амінокислоти йде з Р-центру (видалення побічного продукту рівноважної поліконденсації). На другій стадії тРНК з прикріпленим до неї пептидним ланцюгом переходить з А-центру на Р-центр, що звільнився. Нарешті, на третій стадії рибосома переміщається вздовж ланцюга мРНК однією кодон (на малюнку - вправо), тобто. відбувається транслокація.Після цього картина повністю аналогічна вихідної (до початку першого етапу), але поліпептидна ланцюг має на одну ланку більше, а поряд з центром А знаходиться новий кодон; далі все повторюється. Один цикл елонгації проходить протягом 0,05 сек., так що синтез досить великого білка з 400 ланок проходить за 20 сек. Синтез йде у напрямку 5"->3" мРНК і від N-кінця поліпептидного ланцюга до його С-кінця.

Термінаціятрансляції настає при попаданні А-центру рибосоми на стоп-кодон; синтез припиняється, готовий поліпептидний ланцюг відокремлюється від останньої тРНК і залишає рибосому.

Рис. 9. Схема одного циклу елонгації під час трансляції

Резюме

Процеси поліконденсації у переважній більшості випадків (за винятком полірекомбінації) зводяться до взаємодії між собою функціональних груп мономерів. Якщо кожен мономер містить дві групи, утворюється лінійний полімер (лінійна поліконденсація), якщо три або більше – можливе зшивання з утворенням тривимірної структури (тривимірна поліконденсація). Кінцеві групи полімерів – невикористані багатофункціональні групи мономерів.

Для поліконденсації використовують найрізноманітніші взаємодії між функціональними групами, у тому числі, мабуть, найчастіше – полиацилирование; за цією схемою, зокрема, йде синтез білків та за подібною схемою – синтез нуклеїнових кислот.

Реакції поліконденсації протікають за ступінчастими механізмами. Кінцевий результатлінійної Поліконденсація визначається, в основному, двома факторами: ступенем оборотності реакції та співвідношенням реагують груп. За ступенем оборотності розрізняють рівноважну та нерівноважну поліконденсацію. У першому випадку зворотні реакції (деструкції) протікають помітною мірою, тому необхідно видалення низькомолекулярного продукту реакції; у другому випадку таке видалення не є обов'язковим. Порушення еквівалентності реагуючих груп завжди обмежує довжину полімерної ланцюга. Тому для досягнення високих молекулярних мас необхідно забезпечити строгу еквівалентність груп; навпаки, для олігомерів потрібно використовувати розрахований надлишок однієї з груп. Длятривимірний поліконденсації ці обмеження менш істотні, т.к. для зшивання у багатьох випадках достатньо неповної глибини процесу.

При звичайній непрограмованій поліконденсації утворюються полімери з високим ступенем полідисперсності; однак, частку молекул будь-якої величини (як за кількістю, так і за масою) у багатьох випадках можна досить точно розрахувати.

З іншого боку, саме поліконденсація надає можливість здійснення програмованих синтезів, в результаті яких утворюються монодисперсні полімери, у тому числі кополімери із заданою первинною структурою. Це можуть бути синтези з контролем кожної стадії формування полімерного ланцюга (синтез дендрімерів, синтези поліпептидів та полінуклеотидів «у пробірці»). Найбільш досконалий варіант програмованого синтезу – матричний синтез, під час якого зчитується інформація, «записана» на молекулі-матриці. Це – процеси реплікації, транскрипції та трансляції; ферментативний каталіз та точна орієнтація реагують молекул дозволяє проводити ці синтези не тільки з високою точністю, але і з високою швидкістю.

ГлаваIV.10.

Матричний біосинтез

на ранніх етапахдослідження синтезу однієї дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) за інформацією з іншої ДНК, потім рибонуклеїнової кислоти (РНК) за інформацією, яку зберігає в собі ДНК і далі синтез білка за інформацією матричної РНК, всі ці процеси послідовного зчитування порівнювали з отриманням відбитків з друкарських матриць. Тому запрограмований за допомогою нуклеїнових кислот (НК) процес збирання нових ланцюгів біополімерів називають матричним біосинтезом , А самі молекули НК, які використовуються як програми в матричному біосинтезі, - матрицями. Але найбільш доречно було б порівнювати несучу інформацію НК зі стрічкою магнітофона яку записана інформація чи з дискетою.

У всіх живих організмів ДНКє первинним носієм генетичної інформації. Це означає, що в структурі молекули ДНК у вигляді послідовності нуклеотидів записана вся програма, необхідна для життєдіяльності клітини, її реакції на різні зовнішні дії.

У прокаріотів (доядерних організмів) вся спадкова інформація представлена ​​на одній кільцевій молекулі ДНК, що складається з кількох мільйонів пар нуклеотидів. Іноді частина інформації міститься в кількох невеликих кільцевих ДНК - плазміди.

У еукаріотів (що мають клітинне ядро) - ДНК в основному зосереджена в хромосомах. У кожній хромосомі міститься одна двониткова ДНК, розмір якої досягає сотень мільйонів пар нуклеотидів. Відносно дрібні молекули ДНК містяться в мітохондріях. Вони необхідні синтезу мітохондріальних РНК і мітохондріальних білків. Двониткова молекула побудована за принципом комплементарності . Т. е. коли кожна з чотирьох ПК воліє взаємодіяти (утворювати водневі зв'язки) тільки з одного ПК з трьох можливих. Так аденін взаємодіє через О-Н зв'язку тільки з тиміном ( А-Т), а гуанін з цитозином ( Г - Ц).

Синтез поліпептидного ланцюга (ДНК, РНК або білка) у клітинах складається з трьох основних етапів: ініціації, елонгації та термінації.

Ініціація - утворення зв'язку між мономерними ланками створюваного полімерного ланцюга. Далі мономер приєднується до димеру, трімеру, тетрамеру і т.д. - це вже елонгація.

Елонгація - з'єднання чергового мономеру з зростаючим полімерним ланцюгом. Цей процес відбувається в активному центрі ферменту полімерази. Потім ділянка, полімеру до якого приєднався мономер, висувається із зони активного центруферменту – це процес транслокації.

Термінація - Закінчення зборки полімеру. Для цього на матриці є певна ділянка - термінатор (за його інформацією неможливо підібрати необхідний мономер).

Всі процеси, що відбуваються за участю ДНК, можна розділити на два види:

1) використання інформації, записаної на ДНК, для синтезу молекул РНК, а потім клітинних білків

2) збереження, розмноження та зміна інформаційного змісту молекул ДНК

Кожна програма, записана на ДНК, може бути багаторазово рахована.

Здатність ДНК до точного самоподвоєння при довільній послідовності нуклеотидів у її ланцюгах закладено і в самому принципі побудови ДНК у вигляді двониткової структури із взаємно комплементарними послідовностями. Це означає, що кожен з ланцюгів містить повну інформацію про будову протилежного ланцюга. При розбіжності двониткової ДНК кожен з ланцюгів може відтворити інший ланцюг - це процес реплікації. Він реалізується за участю ферментів ДНК-полімераз. Матричний синтез ДНК виконує дві основні функції: реплікацію (подвоєння) ДНК, тобто. синтез нових дочірніх ланцюгів, комплементарних вихідним матриксним ланцюгам, та репарацію (відновлення) ДНК, якщо один з ланцюгів має ушкодження. Але не завжди репарація здатна відновити початкову структуру ДНК і реплікації відбувається з пошкодженого ланцюга ДНК. У цьому випадку відбувається успадкування ушкоджень. мутація.

ДНК-полімерази каталізують перенесення дезоксирибонуклеотидних фрагментів від АТФ, ГТФ, ЦДФ, ТДФ на гідроксигрупу зростаючого або підлягає регенерації ланцюга ДНК. Т. е. ДНК-полімерази відносяться до класу трансфераз. Розкручування двониткової спіралі ДНК для доступу до неї ДНК-полімераз здійснюється двома ферментами: геліказоюі ДНК-топоізомеразою.

Крім реплікації, репарації та мутації ДНК може піддаватися гомологічної рекомбінації . Дві близькі за своєю первинною структурою молекули ДНК, розташовані поруч, об'єднуються в чотириниткову структуру. У цьому сусідні ділянки обмінюються фрагментами. Рекомбінація не створює нових генів, але в результаті цього процесу виникають нові комбінації ознак, які можуть виявитися дуже суттєвими при природному доборі.

ДНК програмує роботу ферментів РНК-полімераз, які каталізують синтез нових молекул РНК з нуклеотидів з послідовністю, комплементарною одним з ланцюгів програмуючої ДНК. Цей процес називають транскрипцією (Зчитування). Кінцевим результатом є утворення інформаційних, рибосомних та транспортних РНК. Освічений ланцюгРНК - первинний транскрипт це ще готова РНК і вона піддається додаткової серії перетворень - процессингу (відщепленню однієї чи кількох нуклеотидів чи навпаки приєднанню, але з інформації з ДНК). Синтез РНК починається з цілком певних ділянок ДНК і цілком певний час. Для цього на ДНК є ділянки, до яких приєднуються РНК-полімерази та регуляторні молекули. Ці ділянки не піддаються зчитуванню та називаються нетранскрибованими.

Матричний біосинтез РНК ( транскрипція) здійснюється за участю ферментів РНК-полімераз. Цей фермент каталізує такий же тип реакції, як і ДНК-полімераза (перенесення нуклеозид-трифосфату на ланцюг РНК), але тільки замість субстрату ТДФ використовується УТФ. Матрицею при транскрипції є двониткова ДНК. Поблизу активного центру РНК-полімерази двониткова спіраль розкручується і фермент складає ланцюг РНК по інформації, що зчитується з нитки ДНК. РНК складається за принципом комплементарності з тією відмінністю, що замість тиміну використовується урацил та нуклеозиди, які містять не дезоксирибозу, а рибозу.

Ініціація проходить на строго визначеному ділянці матриці ДНК, він називається промотор , і саме з ним відбувається специфічна взаємодія активного центру полімерази РНК. Після цього починається синтез ланцюга РНК. ДНК містить багато таких промоторів і за зміни умов РНК-полімерезу може приєднуватися до іншого промотору. Так, при підвищенні температури на 2,0-3,0 °С вище фізіологічного рівняРНК-полімераза приєднується до промотору, з якого починається зчитування інформації, необхідної для синтезу спеціальних захисних білків - БТШ.

Знову синтезована РНК ще не готова до виконання своєї функції і піддається ряду перетворень - процесингу. У ньому беруть участь багато ферментів. Так, часто ланцюг РНК необхідно розрізати на кілька коротших або підрівняти кінці, видаливши зайві нуклеотиди - це здійснюють РНК-ази. Процес транскрипції є точкою застосування багатьох біологічно активних речовин, наприклад антибіотиків і токсинів. Так, антибіотик рифампіцин блокує дію РНК-полімераз прокаріотів, а токсин блідої поганки -a-Аманітін - РНК-полімеразу еукаріотів. Це пригнічує синтез мРНК для багатьох життєво важливих білків.

Біосинтез білка згідно з інформацією на РНК називається трансляцією (Передачею). Він відбувається на складних надмолекулярних структурах - рибосомах, побудованих з рибосомних РНК і білків. АК для збирання нових поліпептидних ланцюгів надходять до рибосом за участю тРНК, кожна з яких пов'язує по одній АК. Складання поліпептидного ланцюга здійснюється за інформацією, що міститься на мРНК. У ланцюзі мРНК інформація про кожну АК записана у вигляді комбінації з трьох нуклеотидів (наприклад, УУУ або УУЦ-фенілаланін, АУГ-метіонін). Такі тринуклеотиди називаються кодонами . На рибосомах відбувається взаємодія кодону мРНК із антикодоном тРНК. Антикодон тРНК – це також тринуклеотид, а сама тРНК має вигляд кленового листа (або хреста). На малій субодиниці рибосоми розташована ділянка, на якій взаємодіють кодон мРНК з антикодоном тРНК - це ділянка, що декодує. Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга починається із взаємодії між двома залишками тРНК, один з яких несе на собі АК метіонін (з нього зазвичай все і починається). Відібрана АК переноситься від однієї тРНК на тРНТ, з якої і починається синтез білкового ланцюга. Ділянка рибосоми, на якій відбувається це перенесення містить фермент пептидилтрансферазу. Він локалізований на великій субодиниці рибосоми. Молекула тРНК розміщується одночасно на двох субодиницях. До початкової молекули тРНК (з метіоніном) поступово приєднуються різні АК за допомогою пептидного зв'язку, поки мРНК не зустрінеться ділянка термінації. На цьому синтез поліпептиду закінчується.

Рибосоми, як і РНК-полімерази, є точками застосування дії ряду антибіотиків, так стрептоміцин зв'язується з малою субодиницею рибосоми прокаріотів, хлорамфінекол - з великою поблизу активного центру пептидилтрансферази. При цьому гальмується синтез білка бактерій та не змінюється у тварин.

ЛІТЕРАТУРА ДО РОЗДІЛУ IV.10.

1. Бишевський А. Ш., Терсенов О. А. Біохімія для лікаря // Єкатеринбург: Уральський робітник, 1994, 384 с.;

Це одна з цікавих проблеммолекулярної біології, де ще багато таких механізмів нерозшифровано. У живому організмі постійно відбувається поруч із розпадом синтез білка. Метод лінійних атомів дозволив встановити, що до складу клітин входить велика кількістьрізноманітних білків та швидкість синтезу їх різні. Білки еритроцитів обмінюються протягом 2-3 місяців, в той же час білки вже обмінюються дуже швидко, встановлено, що основні білки нервової тканиниобмінюються протягом 21 дня.

Білки в клітинах органів і тканин вступає у взаємодію з різними компонентамиі тому в клітинах повинен існувати механізм, який би забезпечував безпомилковий синтез білкових речовин. Це має значення для метаболічних процесів.

Серед захворювань, пов'язаних з порушеннями синтезу білка, можна називати «альбінізм». Що відбувається:

1) Порушення процесу утворення пігменту меланіну, він виробляється у спеціальних клітинах меланоцитах, що знаходяться у шкірі, у волосних цибулинах, сітківці ока. Припиняється вироблення пігменту внаслідок порушення процесу перетворення фенілаланіну на тирозин. При альбінізмі не виробляється фермент – тирозиназу. Він сприяє утворенню надалі пігменту меланіну.

Ознаки: молочно білий коліршкіри, світле волосся, світла райдужна оболонка, депігментизація сітківки, зниження гостроти зору (люди страждають, але живуть)

2) Серповидноклітинна анемія відбувається внаслідок заміни однієї амінокислоти глу на вал і гемоглобін набуває форми серпа і не може виконувати свою функцію основну – транспорт О 2

Для того щоб процес біосинтезу білка проходив нормально, необхідно:

1) Потік матерії(Амінокислоти з яких будуються білки), обов'язкова присутність незамінних амінокислот. Потік має бути як кількісним, так і якісним. Якщо з їжею настає недостатня кількість незамінних амінокислот, спостерігається білкове голодування. Це призводить до порушення азотистої рівноваги (він стає негативним). Це важливо враховувати під час складання раціонів харчування;

2) Потік енергії.Встановлено, що синтез складних речовинв організмі протікають із споживанням джерел енергії – енергії АТФ, ГТФ та ін.;

3) Необхідна інформація про те, який білок має синтезуватись;

4) Необхідні безпосередні учасники синтезу білка – різні типиРНК дозволяють клітині синтезувати заданий білок. РНК - переносник потоку інформації від ДНК до місця синтезу білка.

Почнемо з загальних механізмівсинтезу ДНК

1) Корнберг у 1953 році запропонував ензиматичним шляхом у безклітинному середовищі за участю ДНК – полімерази

Відкриття в 1960 одночасно в 2х лабораторіях США ферменту РНК полімерази, що каталізує синтез РНК із вільних нуклеотилів. Сприяло розшифруванню механізму синтезу РНК.

Найбільш вивчена РНК – полімераза прокаріотів Е.coli з АС 487000 складається з 5 субодиниць.

РНК - полімерази (називаються ДНК - залежною полімеразою) було встановлено, що молекулі ДНК необхідні не тільки для реакції полімеризації, але що вона визначає послідовність рибонуклеотидів у новоствореній молекулі РНК із заміною тимізинового нуклеотиду ДНК на уридилової в РНК. Загалом ще синтез РНК можна так:

У Е. coli припускають, що є єдина ДНК залежна РНК – полімераза, яка синтезує всі типи клітинних РНК. Менш вивчені РНК – полімерази еукаріотів. З клітин тварин виділено 3 групи РНК – полімераз А, В, С, які беруть участь у синтезі відповідно рРНК, мРНК та тРНК.

Матричний біосинтез складається з 3 етапів:

1. Біосинтез ДНК – реплікація (механізм подвоєння ДНК), репарація (ферментативні механізми, виявляють та виправляють пошкодження ДНК)

2. Транскрипція - біосинтез ДНК (тРНК, рРНК, мРНК)

3. Етап біосинтезу білка – трансляція

Біохімічний зміст процесів реплікації у тому, що вони протікають кілька етапів. (Рис.1)

На першому етапі - ініціації- відбувається освіту з участю ферментів (ДНК-хеліказ, ДНК - гіраз) реплікаційних виделок, тобто. якщо ми маємо 2-х ланцюжкову ДНК, то на певному етапі один з ланцюжків відкручується і частина, що пішла, добудовується у вигляді антипаралельного ланцюга (рис. 1).

При ініціації до ланцюгів ДНК послідовно приєднуються ДНК - зв'язуючі та ДНК - білки, що розкручують, а потім комплекси ДНК - полімераз і ДНК-залежна РНК - полімераза (праймаза).

Другий етап.Процес реплікації ДНК піддаються одночасно обидва ланцюги. Зростання дочірніх ланцюгів здійснюється у напрямку

5' _____3'. Перша стадія здійснюється за допомогою ДНК - полімерази 111

далі бере участь ДНК - полимераза 11 .Синтез однією ланцюга йде не перервно, але в інший фрагментарно (фрагменти Оказаки). Друга стадія завершується відділенням праймерів, об'єднанням окремих фрагментів ДНК за допомогою ДНК - лігаз та формуванням дочірнього ланцюга ДНК.

Третій етап- Термінація синтезу ДНК, настає в результаті обриву ланцюга за рахунок вичерпування ДНК матриці. Точність реплікації велика. Якщо буде помилка, то її можна виправити в ході репараційних процесів.

Рис.1 Схема основних етапів реплікації ДНК (по Т.Т.Березову та Б.Ф.Коровкіну)

Репарація ДНК та РНК.

Ряд екзогенних та ендогенних факторівпризводять до різних пошкоджень ДНК ДНК в клітині. У клітині існують системи репарації ДНК. Це ферментативні механізми, які виявляють та виправляють ушкодження.

Які необхідні для цього умови?

1.Необхідне впізнавання місця ушкодження ДНК (за допомогою ендонуклеазу);

2.Видалення пошкодженої ділянки (за допомогою ДНК-глікозідаз);

3.Синтез нового фрагмента (ДНК – полімераз репаруюча);

4.Сполука утворення нових ділянок зі старим ланцюгом (фермент ДК-лігаза).

Транскрипція РНК.

Транскрипція відрізняється від реплікації. При реплікації реплікується повністю один із ланцюгів ДНК, а при транскрипції транскрибується
окремі гени. Тому кожний ген ДНК несе свою інформацію.

Процес утворення мРНК на ДНК-затравці можливий лише на функціонуючій ДК. Процес транскрипції – багатоступінчастий. До відкриття феномен а сплайсинг(дозрівання, зрощування) мРНК було відомо, що багато мРНК еукаріотів синтезуються в ще гігантських високомолекулярних попередників (пре - мРНК), які вже в ядрі піддаються посттранскрипційному. у процеосингу. Виявилося, що ген у еукаріотів має складну мозаїчну будову. Він включає ділянки, що несуть інформацію, це кодують - екзонита ділянки не несучі інформації, тобто. нічого не кодують - інтрони. Звідси і виникло поняття про б екзонінтронної структури(Рис. 2).

Фермент ДНК - залежна РНК - полімераза каталізує транскрипцію як екзонів і інтронів з утворенням гетерогенної ядерної РНК (гя РНК) званої також первинним транскриптом. Інтрони разом із екзонами транскрибуються; однак ще в ядрі інтрони вирізуються малими ядерними РНК (м'я РНК), що призводить до утворення мРНК, що функціонує. Ферментативний процес видалення інтронів з РНК - транскрипта та об'єднання (з'єднання), відповідних екзонів отримав назву - сплайсинг .

Послідовність нуклеотидів у молекулі мРНК починається з пар ГУ (5"- кінець) і закінчується парою АГ (3" - кінець). Ці послідовності служать т сайтами(Місцями) впізнавання для ферментів сплайсингу.

Кепірування(КЕП) зводиться до приєднання 7 метилгуанозина за допомогою трифосфатного зв'язку до 5" кінця мРНК, вважають, що "НЕП" бере участь у розпізнаванні відповідного сайту на молекулі мРНК і, можливо, захищає саму молекулу від ферментативного розпаду.

Поліаденілюванняполягає у послідовному ферментативному приєднанні від 100 до 200 залишків АМФ до 3" кінцю мРНК. Функція цього процесу остаточно вивчена, але вважають, що цей процес захищає мРНК від гідролізу клітинними РНКазами.

Процесинг, сплайсинг, кепування, поліаденілювання - процеси, що забезпечують синтез молекули РНК, що складаються лише з екзонів.

Усі типи РНК (рРНК, тРНК, мРНК) синтезуються подібним чином.

Тому для будь-якої молекули РНК, що є в організмі, можна знайти ділянку ДНК, якій вона комплементарна. Але все ж таки в синтезі різних видівЄ деякі особливості.

мРНК - синтезується набагато більшого розміручим потрібно для синтезу білка. Так білок імуноглобулін включає важкий ланцюгкодується 1800851 нуклеотидними залишками, з них безпосередньо структуру білка кодує 1300 нуклеотидних залишків.

тРНК - синтезується як і мРНК, але при цьому синтез йде з більшого попередника. Цей процес піддається сплайсингу за участю ферментів цитоплазми.

рРНК – буває кількох типів. У прокаріотів синтез рРНК трьох типів 235, 16S, 5S. Вони утворюються з довгого попередника пре-рРНК. З них йде утворення однієї із субодиниць рибосоми.

Отже транскрипція - багатоступінчастий процес, у результаті синтезуються всі види РНК.

Біосинтез білка (трансляція).

Генетичний текст при трансляції перетворюється на лінійну послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга білка.

Процес трансляції можна розділити на два етапи, які мають різну локалізацію у клітині: рекогніція(впізнавання амінокислот) та власне біосинтез білка. Рекогніція протікає в цитоплазмі, а біосинтез білка протікає у рибосомах.

Рекогніція,або впізнанняамінокислот. Сутність впізнавання амінокислот у тому, щоб з'єднати амінокислоту зі своєю тРНК. Структура тРНК має властивості потенційного "перекладача", тому що в одній молекулі поєднані здатності ""читати"" нуклеотидний текст (антикодон тРНК специфічно спарується з кодоном мРНК і нести (на акцепторному кінці) свою амінокислоту. Спеціальні ферменти забезпечують впізнання т.п. ферменти отримали назви е аміноацил- тРНК - синтетаз (АРСази).Амінокислоти при цьому мають бути активовані, активація здійснюється також за допомогою АРСаз. Цей процес протікає у 2 стадії:

Рибосоми, що не беруть участь у синтезі білка, легко дисоціюють на субодиниці. У клітині рибосоми або знаходяться у вільному стані або пов'язані з мембранами ендоплазматичної мережі. Вільне переміщеннярибосом у різні ділянки клітини або з'єднання їх у різних місцях з мембранами ендоплазматичного ретикулуму, Очевидно, дає можливість збирати білки в клітці там, де це потрібно.

Біосинтез білків відрізняється від інших типів матричних біосинтезів-реплікації та транскрипції – двома особливостями:

1) Немає відповідності між числом знаків (мономерів) у матриці та продуктів реакції у мРНК 4 різних нуклеотидів, у білку 20 різних амінокислот;

2) Структура рибонуклеотидів (мономерів матриці) та амінокислот (мономерів продукту) така, що між мРНК (матрицею) та поліпептидним ланцюгом білка (продуктом) немає комплементарності.

Синтез білка або трансляцію ділять на 3 фази: ініціацію (початок), елонгацію (подовження поліпептидного ланцюга), термінація (закінчення).

В даний час встановлено, що для початку синтезу білка існує спеціальний комплекс, що ініціює (форміл мет тРНК і мРНК пов'язані з декількома молекулами білка ГТФ). Відбувається взаємодія між кодонами мРНК та антикодонами форм мет РНК. (Рис.3)

Спочатку ініціююча форма мет РНК пов'язується з великою субодиницею рибосоми в ділянці П (пептидильний центр). Наступна амінокислота як алат РНК зв'язується у ділянці А (аміноацильний центр). Рибосоми за рахунок взаємодії антикодону ала тРНК та кодону мРНК. В результаті «NH 2 » цієї амінокислоти виявляється поблизу від «СООН» групи першої амінокислоти за допомогою пептидотрансферази утворюється пептидний зв'язок в ділянці А. Дипептид, що утворився, переноситься транслоказою з ділянки А в ділянку П, витісняючи звідти тРНК, яка знову може вступати у взаємодії з іншою амінокислотою, потрібна участь ГТФ. Під дією пептидтрансферази пептидний ланцюг з участська П переноситься на ділянку А. Рибосома зсувається і проти А ділянки стає новий кодон мРНК. У цьому один рибосомальний цикл завершується. Процес синтезу білка триває до того часу, поки А ділянці не підійде безглуздий кодон (УАГ, УАА, УГА). На цьому синтез білка закінчується і пептид, що синтезується, з ділянки П відокремлюється від поверхні рибосоми.

Більшість білків, що синтезуються, залишається в клітині, а частина йде шляхом екзоцитозу. Для цього потрібна енергія АТФ, тому при дефіциті АТФ затримуються білки в клітині. Особливо активно білки виділяються залізистими клітинами та клітинами печінки. Що відбувається далі із синтезованим білком?

Після відокремлення від рибосоми вона відразу гідролізується цитоплазматичними рибонуклеазами. Вже в ході трансляції білок починає укладатися в тривимірну структуру, яку остаточно приймаємо після відділення синтезованого білка від рибосоми. Через війну трансляції який завжди утворюється функціонально активний білок. У багатьох випадках потрібні додаткові посттранслятивні зміни. Наприклад, інсулін, що утворюється з попередників (проінсуліну) в результаті відщеплення частини пептидного ланцюга під дією специфічних протеаз. Подібним чином, тобто. шляхом часткового протеолізу, активуються багато проферментів.

Приєднання простетичної групи з освітою складних білківта об'єднання протомерів олігомерних білків також відносяться до посттрансляційних змін. У деяких білках після завершення синтезу пептидного ланцюга відбувається модифікація амінокислотних залишків, наприклад перетворення проліну та лізину на гідроксилізин та гідроксипролін у колагенах, метелювання аргініну та лізину у гістонах, йодування тирозину у тріо глобуліні. Деякі білки піддаються глікозилюванню, приєднуючи олігосахаридні залишки (утворення глікопротеїнів). Однією з постсинтетичних модифікацій є фосфорилювання деяких залишків тирозину в молекулі білка і в даний час розглядається як один із специфічних етапів формування онкобілків при малігнізації нормальних клітин. Хоча біосинтез білка, що представляє складний багатоступінчастий процес, проте структурно-функціональні взаємини різних його етапів ще недостатньо вивчені.

Рис.3 Схема елонгації поліпептидного ланцюга

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

1. Реакції матричного синтезу

У живих системах зустрічається реакції, невідомі в неживої природи- Реакції матричного синтезу.

Терміном "матриця" в техніці позначають форму, що вживається для виливки монет, медалей, друкарського шрифту: затверділий метал точно відтворює всі деталі форми, що служила для виливки. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються у точній відповідності до плану, закладеного у структурі вже існуючих молекул.

Матричний принцип є основою найважливіших синтетичних реакцій клітини, як-от синтез нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна, суворо специфічна послідовність мономерних ланок синтезованих полімерах.

Тут відбувається спрямоване стягування мономерів у певне місцеклітини - на молекули, що служать матрицею, де реакція протікає. Якби такі реакції відбувалися внаслідок випадкового зіткнення молекул, вони протікали б нескінченно повільно. Синтез складних молекул на основі матричного принципу здійснюється швидко та точно.

Роль матриці у матричних реакціях грають макромолекули нуклеїнових кислот ДНК або РНК.

Мономірні молекули, з яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарності розташовуються та фіксуються на матриці у строго визначеному, заданому порядку.

Потім відбувається "зшивання" мономерних ланок у полімерний ланцюг, і готовий полімер скидається з матриці.

Після цього матриця готова до збирання нової полімерної молекули. Зрозуміло, що як на цій формі може проводитися виливок тільки якоїсь однієї монети, однієї літери, так і на цій матричній молекулі може йти "складання" лише одного полімеру.

Матричний тип реакцій специфічна особливістьхімізму живих систем. Вони є основою фундаментального властивості всього живого - його здатність до відтворення собі подібного.

До реакцій матричного синтезу відносять:

1. реплікацію ДНК - процессамоподвоєння молекули ДНК, який здійснюється під контролем ферментів. На кожному з ланцюгів ДНК, що утворилися після розриву водневих зв'язків, за участю ферменту ДНК-полімерази синтезується дочірній ланцюг ДНК. Матеріалом для синтезу є вільні нуклеотиди, що є в цитоплазмі клітин.

Біологічний сенс реплікації полягає у точній передачі спадкової інформаціївід материнської молекули до дочірніх, що у нормі відбувається при розподілі соматичних клітин.

Молекула ДНК і двох комплементарних ланцюгів. Ці ланцюги утримуються слабкими водневими зв'язками, здатними розриватися під впливом ферментів.

Молекула здатна до самоподвоєння (реплікації), причому на кожній старій половині молекули синтезується її нова половина.

Крім того, на молекулі ДНК може синтезуватися молекула іРНК, яка потім переносить отриману від ДНК інформацію до місця синтезу білка.

Передача інформації та синтез білка йдуть за матричним принципом, який можна порівняти з роботою друкарського верстатау друкарні. Інформація від ДНК багаторазово копіюється. Якщо при копіюванні будуть помилки, то вони повторяться у всіх наступних копіях.

Щоправда, деякі помилки при копіюванні інформації молекулою ДНК можуть виправлятися - процес усунення помилок називається репарацією. Першою з реакцій у процесі передачі є реплікація молекули ДНК і синтез нових ланцюгів ДНК.

2. транскрипцію - синтез і-РНК на ДНК, процес зняття інформації з молекули ДНК, що синтезується на ній молекулою і-РНК.

І-РНК складається з одного ланцюга та синтезується на ДНК відповідно до правила комплементарності за участю ферменту, який активує початок та кінець синтезу молекули і-РНК.

Готова молекула і-РНК виходить у цитоплазму на рибосоми, де відбувається синтез поліпептидних ланцюгів.

3. трансляцію - синтез білка на і-РНК; процес перекладу інформації, що міститься в послідовності нуклеотидів і-РНК, послідовність амінокислот в поліпептиді.

4. синтез РНК чи ДНК на РНК вірусів

Таким чином, біосинтез білка - це один із видів пластичного обміну, в ході якого спадкова інформація, закодована в генах ДНК, реалізується у певну послідовність амінокислот у білкових молекулах.

Молекули білків по суті є поліпептидні ланцюжки, складені з окремих амінокислот. Але амінокислоти недостатньо активні, щоб поєднатися між собою самостійно. Тому, перш ніж з'єднатися один з одним та утворити молекулу білка, амінокислоти мають активуватися. Ця активація відбувається під впливом спеціальних ферментів.

Внаслідок активування амінокислота стає більш лабільною і під дією того ж ферменту зв'язується з т-РНК. Кожній амінокислоті відповідає суворо специфічна т-РНК, яка знаходить свою амінокислоту і переносить її в рибосому.

Отже, рибосому надходять різні активовані амінокислоти, з'єднані зі своїми т-РНК. Рибосома являє собою ніби конвеєр для складання ланцюжка білка з різних амінокислот, що надходять до нього.

Одночасно з т-РНК, на якій «сидить» своя амінокислота, рибосому надходить «сигнал» від ДНК, яка міститься в ядрі. Відповідно до цього сигналу в рибосомі синтезується той чи інший білок.

Напрямний вплив ДНК на синтез білка здійснюється не безпосередньо, а за допомогою особливого посередника - матричної або інформаційної РНК (м-РНК або РНК), яка синтезується в ядрі під впливом ДНК, тому її склад відображає склад ДНК. Молекула РНК є як би зліпок з форми ДНК. Синтезована і-РНК надходить у рибосому і як би передає цій структурі план - в якому порядку повинні з'єднуватися один з одним активовані амінокислоти, що надійшли в рибосому, щоб синтезувався певний білок. Інакше генетична інформація, закодована в ДНК, передається на і-РНК і далі на білок.

Молекула і-РНК надходить у рибосому та прошиває її. Той її відрізок, який знаходиться в даний момент у рибосомі, визначений кодоном (триплет), взаємодіє абсолютно специфічно з відповідним до нього за будовою триплетом (антикодоном) транспортної РНК, яка принесла в рибосому амінокислоту.

Транспортна РНК зі своєю амінокислотою підходить до певного кодону іРНК і з'єднується з ним; до наступної, сусідній ділянці і-РНК приєднується інша т-РНК з іншою амінокислотою і так доти, доки не буде раховано весь ланцюжок і-РНК, поки не нанижуться всі амінокислоти у відповідному порядку, утворюючи молекулу білка.

А т-РНК, яка доставила амінокислоту до певній ділянціполіпептидного ланцюга, що звільняється від своєї амінокислоти і виходить з рибосоми. матричний кліткануклеїновий ген

Потім знову в цитоплазмі до неї може приєднатися потрібна амінокислота і вона знову перенесе її в рибосому.

У процесі синтезу білка бере участь одночасно одна, а кілька рибосом - полирибосомы.

Основні етапи передачі генетичної інформації:

синтез на ДНК як на матриці і-РНК (транскрипція)

синтез у рибосомах поліпептидного ланцюга за програмою, що міститься в іРНК (трансляція).

Етапи універсальні всім живих істот, але тимчасові і просторові взаємини цих процесів різняться у про- і еукаріотів.

У еукаріотів транскрипція і трансляція строго розділені в просторі і часі: синтез різних РНК відбувається в ядрі, після чого молекули РНК повинні залишити межі ядра, пройшовши через ядерну мембрану. Потім у цитоплазмі РНК транспортуються до місця синтезу білка – рибосом. Лише після цього наступає наступний етап – трансляція.

У прокаріотів транскрипція і трансляція йдуть одночасно.

Таким чином, місцем синтезу білків і всіх ферментів у клітині є рибосоми - це як би "фабрики" білка, як би складальний цех, куди надходять усі матеріали, необхідні для збирання поліпептидного ланцюжка білка з амінокислот. Природа білка, що синтезується, залежить від будови і-РНК, від порядку розташування в ній нуклеоїдів, а будова і-РНК відображає будову ДНК, так що в кінцевому підсумку специфічна будова білка, тобто порядок розташування в ньому різних амінокислот, залежить від порядку розташування нуклеоїдів у ДНК, від будови ДНК.

Викладена теорія біосинтезу білка отримала назву матричної теорії. Матричною ця теорія називається тому, що нуклеїнові кислоти відіграють як би роль матриць, в яких записано всю інформацію щодо послідовності амінокислотних залишків у молекулі білка.

Створення матричної теорії біосинтезу білка та розшифрування амінокислотного коду є найбільшим науковим досягненням XX століття, найважливішим кроком по дорозі до з'ясування молекулярного механізму спадковості.

Алгоритм розв'язання задач.

Тип 1. Самокопіювання ДНК. Один із ланцюжків ДНК має таку послідовність нуклеотидів: АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ... Яку послідовність нуклеотидів має другий ланцюжок тієї ж молекули? Щоб написати послідовність нуклеотидів другого ланцюжка молекули ДНК, коли відома послідовність першого ланцюжка, достатньо замінити тимін на аденін, аденін на тимін, гуанін-цитозин і цитозин на гуанін. Зробивши таку заміну, отримуємо послідовність: ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ... Тип 2. Кодування білків. Ланцюжок амінокислот білка рибонуклеази має такий початок: лізин-глутамін-треонін-аланін-аланін-аланін-лізин... З якої послідовності нуклеотидів починається ген, який відповідає цьому білку? І тому слід скористатися таблицею генетичного коду. Для кожної амінокислоти знаходимо кодове позначення у вигляді відповідної трійки нуклеотидів і виписуємо його. Маючи в своєму розпорядженні ці трійки один за одним у такому ж порядку, в якому йдуть відповідні їм амінокислоти, отримуємо формулу будови ділянки інформаційної РНК. Як правило таких трійок кілька, вибір робиться за Вашим рішенням (але береться тільки одна з трійок). Рішень відповідно може бути кілька. Тип 3. Декодування молекул ДНК. З якої послідовності амінокислот починається білок, якщо він закодований такою послідовністю нуклеотидів: АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ... За принципом комплементарності знаходимо будову ділянки інформаційної РНК, що утворюється на даному відрізку молекули ДНК: УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА... Потім звертаємося до таблиці починаючи з першої, знаходимо та виписуємо відповідну їй амінокислоту: Цистеїн-гліцин-тирозин-аргінін-пролін-...

2. Конспект з біології в 10 «А» класі на тему: Біосинтез білків

Мета: Ознайомити з процесами транскрипції та трансляції.

Освітня. Ввести поняття гена, триплету, кодону, коду ДНК, транскрипції та трансляції, пояснити сутність процесу біосинтезу білків.

Розвиваюча. Розвиток уваги, пам'яті, логічного мислення. Тренування просторової уяви.

Виховна. Виховання культури праці на уроці, поваги до чужої праці.

Обладнання: Дошка, таблиці з біосинтезу білків, магнітна дошка, динамічна модель.

Література: підручники Ю.І. Полянського, Д.К. Бєляєва, А.О. Рувінського; "Основи цитології" О.Г. Машанової, "Біологія" В.М. Яригін, «Гени та геноми» Сінгер і Берг, шкільний зошит, Н.Д.Лісова навч. Посібник для 10 класу "Біологія".

Методи та методичні прийоми: оповідання з елементами бесіди, демонстрація, тестування

Послідовність матричних реакційпри біосинтезі білків можна подати у вигляді схеми:

Варіант 1

1. Генетичний код – це

а) система запису порядку розташування амінокислот у білку за допомогою нуклеотидів ДНК

б) ділянка молекули ДНК із 3-х сусідніх нуклеотидів, що відповідає за постановку певної амінокислоти в молекулі білка

в) властивість організмів передавати генетичну інформаціювід батьків потомству

г) одиниця зчитування генетичної інформації

40. Кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами – це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

41. Амінокислоти шифруються більш ніж одним кодоном - це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

42. У еукаріотів один нуклеотид входить до складу тільки одного кодону - це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

43. Усі живі організми нашій планеті мають однаковий генетичний код - це

а) специфічність

б) приниженість

в) виродженість

г) неперекриваність

44. Поділ по три нуклеотиди на кодони чисто функціональний і існує лише на момент процесу трансляції

а) код без ком.

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

45. Кількість смислових кодонів у генетичному коді

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Вивчення будови гена еукаріотів, послідовності амінокислот у білковій молекулі. Аналіз реакції матричного синтезу, процесу самоподвоєння молекули ДНК, синтезу білка на матриці та-РНК. Огляд хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах живих організмів

презентація , доданий 26.03.2012


Основні види нуклеїнових кислот. Будова та особливості їх будови. Значення нуклеїнових кислот всім живих організмів. Синтез білків у клітині. Зберігання, перенесення та передача у спадок інформації про структуру білкових молекул. Будова ДНК.

презентація , додано 19.12.2014


Визначення поняття та опис загальних особливостей трансляції як процесу синтезу білка за матрицею РНК, що здійснюється у рибосомах. Схематичне уявлення синтезу рибосом у еукаріотів. Визначення сполученості транскрипції та трансляції у прокаріотів.

презентація , додано 14.04.2014


Первинна, вторинна та третинна структури ДНК. Властивості генетичного коду. Історія відкриття нуклеїнових кислот, їх біохімічні та фізико-хімічні властивості. Матрична, рибосомальна, транспортна РНК. Процес реплікації, транскрипції та трансляції.

реферат, доданий 19.05.2015


Сутність, склад нуклеотидів, їх Фізичні характеристики. Механізм редуплікації дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), транскрипція її з перенесенням спадкової інформації на РНК та механізм трансляції – синтез білка, що спрямовується цією інформацією.

реферат, доданий 11.12.2009


Особливості застосування методу ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для дослідження нуклеїнових кислот, полісахаридів та ліпідів. Дослідження методом ЯМР комплексів нуклеїнових кислот з протеїнами та біологічних мембран. Склад та структура полісахаридів.

курсова робота , доданий 26.08.2009


Нуклеотиди як мономери нуклеїнових кислот, їх функції у клітині та методи дослідження. Азотисті основи, що не входять до складу нуклеїнових кислот. Будова та форми дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК). Види та функції рибонуклеїнових кислот (РНК).

презентація , додано 14.04.2014


Історія вивчення нуклеїнових кислот. Склад, структура та властивості дезоксирибонуклеїнової кислоти. Уявлення про ген і генетичний код. Вивчення мутацій та його наслідків щодо організму. Виявлення нуклеїнових кислот у рослинних клітинах.

контрольна робота , доданий 18.03.2012


Відомості про нуклеїнові кислоти, історія їх відкриття та поширення в природі. Будова нуклеїнових кислот, номенклатура нуклеотидів. Функції нуклеїнових кислот (дезоксирибонуклеїнова – ДНК, рибонуклеїнова – РНК). Первинна та вторинна структура ДНК.

реферат, доданий 26.11.2014


Загальна характеристикаклітини: форма, хімічний склад, відмінності еукаріотів від прокаріотів. Особливості будови клітин різних організмів. Внутрішньоклітинний рух цитоплазми клітини, метаболізм. Функції ліпідів, вуглеводів, білків та нуклеїнових кислот.