Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Біосинтез нуклеїнових кислот

Специфічність будь-якої нуклеїнової кислоти визначається комбінацією нуклеотидів, з яких вона складається.

Обов’язковою умовою матричного синтезу нової нуклеїнової кислоти є наявність у клітині вихідного, раніше синтезованого полінуклеотидного ланцюга.

Цей ланцюг відіграє роль першооснови, на якій, як за шаблоном, відбувається побудова нової нуклеїнової кислоти яка точно відтворює структуру матриці. У цьому полягає суть матричного синтезу нуклеїнових кислот в організмі. Для синтезу будь-якої нуклеїнової кислоти, поряд з матрицею, необхідні будівельний матеріал, а також джерело енергії. Попередниками нуклеїнових кислот, з яких формується майбутній полінуклеотидний ланцюг, служать нуклеозидтрифосфати (НТФ).

Біосинтез нуклеїнової кислоти в клітині починається лише за наявності в ній необхідних типів НТФ, які містять чотири типи азотистих основ. Енергія для синтезу нуклеїнової кислоти надходить під час розпаду макроергічного зв’язку в молекулі НТФ. Синтез нуклеїнових кислот забезпечують ферменти, названі ДНК-полімеразами і РНК-полімеразами.

Отже, для синтезу будь-якої нуклеїнової кислоти необхідні:

  • матриця у вигляді полінуклеотидного ланцюга;
  • молекули-попередники у вигляді набору чотирьох НТФ;
  • джерело енергії у вигляді самих НТФ;
  • ферменти, які забезпечуватимуть синтез нуклеїнових кислот, — ДНК і РНК.

Біосинтез ДНК

Біосинтез ДНК у більшості випадків являє собою реплікацію — подвоєння молекул ДНК (ядерної, хлоропластної, мітохондріальної або плазмідної).

У результаті з однієї біспіральної («материнської») молекули ДНК утворюються дві («дочірні») молекули ДНК, ідентичні одна одній і материнській ДНК. Таку реплікацію називають гомологічною реплікацією. У цьому доволі складному процесі можна виділити кілька етапів.

Спочатку спеціальні ферменти забезпечують розходження двох ланцюгів біспіральної молекули ДНК. Виникає структура, яка названа реплікаційною вилкою.

Схема реплікації ДНК

Її протяжність становить близько 1 000 нуклеотидів. У ролі матриці виступають обидва роз’єднані ланцюги нуклеотидів, уздовж яких у двох протилежних напрямах здійснюється синтез дочірніх ДНК. Тому такий синтез називають антипаралельним.

1. Ініціація реплікації полягає у перенесенні перших нуклеотидів з відповідних НТФ на попередньо синтезований праймер — невеликий завдовжки ланцюг рибонуклеозидів. Пізніше праймер видаляється з дочірньої молекули ДНК під час її «дозрівання».

2. Елонгація полягає у нарощуванні ланцюга нуклеотидів завдяки послідовному їх перенесенню з молекул НТФ на поліпептидний ланцюг, що росте. Цей процес обслуговує комплекс ферментів, серед яких провідну роль відіграють ДНК-полімерази. У клітинах прокаріотів й еукаріотів виявлено кілька типів таких ферментів. Завдяки принципу комплементарності нуклеотидів забезпечується точне відтворення дочірніми молекулами ДНК структури материнської. У міру просування реплікативної вилки по молекулі материнської ДНК синтезуються фрагменти дочірніх ДНК, які потім об’єднаються в єдиний ланцюг. Такий синтез отримав назву переривчастого синтезу.

3. Термінація (припинення) реплікації програмується особливою послідовністю нуклеотидів, розташованих у кінці материнської ДНК. У результаті описаних синтетичних процесів у складі біспіральної молекули ДНК один ланцюг виявляється материнським (матричним), інший — дочірнім (новосинтезованим) ланцюгом. Тому реплікація ДНК має напівконсервативний характер.

Реплікацією ДНК не вичерпуються механізми його біосинтезу. Комплементарний синтез ДНК здійснюється й у процесі репарації — відновлення пошкоджених ділянок ДНК, а також у випадку репродукції (розмноження) ДНК-вмісних вірусів в інфікованих клітинах.

У 1970 р. генетики Д. Балтімор, Г. Гемін і С. Мазутані відкрили не відомий раніше фермент ревертаза, або зворотна транскриптаза. Виявилось, що цей фермент забезпечує процес зворотної транскрипції, тобто переписування генетичної інформації з вірусної РНК на комплементарну ДНК. Ревертаза була виявлена у так званих реовірусів, які спричинюють пухлини у ссавців і птахів. Для цих вірусів схема реалізації генетичної інформації буде такою:

Сформовані вібріони залишають клітину.

Явище зворотної транскрипції було виявлено у деяких РНК-умісних вірусів (вірус СНІДу, гепатиту В тощо). Зворотна транскрипція дозволяє цим вірусам проникати в хромосому зараженої клітини у вигляді своєї ДНК-копії.

Біосинтез РНК

Синтез молекули РНК на ооному з ланцюгів молекули ДНК

Біосинтез РНК у більшості випадків здійснюється на матриці ДНК (процес відбувається в ядрі клітини). Для цього ділянка двоспіральної молекули ДНК повинна «розплестись» і стати тим одноланцюговим шаблоном, з якого інформація про структуру ДНК буде переписана на РНК. Цей процес перенесення інформації з ДНК на РНК отримав назву транскрипції, а ділянку ДНК, з якої переписується інформація, називають транскриптом.

Синтезу РНК передує з’єднання ферменту РНК-полімерази з особливою ділянкою молекули ДНК, названою промотором. РНК-полімераза «впізнає» місце свого приєднання за особливою послідовністю нуклеотидів у молекулі ДНК (ТАТААТ — у бактерій, ТАТА — у клітинах еукаріотів).

Ініціації синтезу РНК передує розходження двох ланцюгів ДНК на обмеженій ділянці. У результаті виникає структура, яка названа транскрипційною вилкою. Ручкою цієї вилки слугує двоспіральна ділянка ДНК, а «верхівкою» — її розплетена ділянка, з якої відбуватиметься переписування на РНК. Один з ланцюгів ДНК транскрипційної вилки згодом буде використаний як матриця для синтезу молекули РНК. Уздовж цього ланцюга вишиковуються НТФ — попередники майбутньої РНК. З’єднання між собою перших двох нуклеотидів і є початком синтезу РНК — ініціацією.

Елонгація, або ріст ланцюга РНК, відбувається завдяки перенесенню фрагментів нуклеотидів з молекул АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ на полінуклеотидний ланцюг. Відбувається розривання макроергічного зв’язку в молекулах НТФ, а вивільнена енергія використовується для синтезу РНК.

Специфічна послідовність нуклеотидів матричної ДНК задає структуру молекули РНК завдяки принципу комплементарності. У результаті синтезована молекула РНК точно відтворює структуру матричної ДНК. Отже, комплементарність хімічної будови нуклеотидів лежить як в основі будови двоспірального ланцюга ДНК, так і в основі перенесення інформації з ДНК на РНК.

Термінація (припинення) синтезу РНК настає в момент, коли РНК-полімераза, яка рухається по транс криптону, зустрічається з термінатором — особливою послідовністю нуклеотидів молекули ДНК, наприклад, АТТ, АТЦ, АЦТ. Поява термінатора служить сигналом для роз’єднання синтезованої РНК з ДНК-матрицею і припинення транскрипції. Синтезована РНК переходить до самостійного (автономного) існування.

На матриці ДНК за допомогою ферменту РНК-полімерази синтезуються всі типи молекул РНК (інформаційні, рибосомальні, транспортні тощо).

Бактерії мають один тип РНК-полімерази, яка забезпечує синтез усіх типів РНК.

У клітинах еукаріотів (рослин, грибів, тварин і людини) наявні три типи цих ферментів (I, II, III), які спеціалізуються на синтезі певних молекул РНК. Наприклад, синтез інформаційної РНК забезпечує фермент РНК-полімераза II.

Інша важлива особливість синтезу РНК полягає в тих перетвореннях, які відбуваються із синтезованою молекулою РНК. Як відомо, в молекулі ДНК-матриці поряд з інформативними ділянками (екзонами) містяться неінформативні ділянки (інтрони). З інтронами часто взаємодіють регулятори транскрипції. Найвища частка інтронів (до 90 %) — у ДНК еукаріотів.

Спочатку екзони й інтрони повністю копіюються, внаслідок чого утворюється «незріла» і-РНК. Потім ферменти-рестриктази видаляють інтронні копії і «зшивають» кінці екзонних копій. Формується молекула зрілої і-РНК, яка містить лише інформативні ділянки, комплементарні до екзонів ДНК-матриці. Цей процес отримав назву сплайсинга.

У РНК-вмісних вірусів трапляється інший механізм матричного синтезу РНК. Він полягає в синтезі вірусної і-РНК на матриці інфекційної РНК вірусу, яка проникла в клітину.



Підтримати сайт і наші Збройні Сили можна за посиланням на Buy Me a Coffee.