Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА
Реакції матричного синтезу
У клітинах усіх організмів ми виявляємо механізми синтезу, які забезпечують відтворення копій нуклеїнових кислот і білків. Синтез біологічних полімерів з точно заданою структурою отримав назву матричного синтезу. Така назва походить від слова «матриця» (лат. matrix — прамати, першооснова, джерело).
Подібно до того, як шаблон у виробництві слугує для виготовлення великої кількості однакових деталей, у біологічних системах матричний синтез дозволяє багаторазово відтворити структуру органічних молекул.
Завдяки матричному синтезу зберігають свою біохімічну унікальність, неповторність окремі біологічні види й різновидності, раси і штами мікроорганізмів, сорти рослин, породи тварин тощо.
Отже, матричний синтез біологічних полімерів (нуклеїнових кислот і білків) слугує молекулярною основою спадковості.
Біосинтез ДНК здебільшого є реплікацією — подвоєнням 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, названа реплікаційною вилкою. Її протяжність становить приблизно 1000 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 в перенесенні перших нуклеотидів з відповідних НТФ на попередньо синтезований праймер — невеликий за довжиною ланцюг з рибонуклеозидів. Пізніше праймер видаляється з дочірньої молекули ДНК під час її «дозрівання».
2. Елонгація полягає в додаванні дезоксирибонуклеотиду до 3'-кінця ланцюга, що росте. Процес каталізує ДНК-полімераза. 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), а другий — 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 — ревертазу, або зворотну транскриптазу. Виявилось, що цей фермент забезпечує процес зворотної транскрипції, тобто переписування генетичної інформації з вірусної РНК на комплементарну ДНК. Ревертаза була виявлена в так званих реовірусів, які спричинюють пухлини у ссавців і птахів. Для таких вірусів схема реалізації генетичної інформації буде такою:
Сформовані віріони покидають клітину.
Явище зворотної транскрипції було виявлено у деяких РНК-вмісних вірусів (вірус СНІДу, гепатиту В тощо). Зворотна транскрипція дозволяє цим вірусам проникати в хромосому зараженої клітини у вигляді своєї ДНК-копії.
Біосинтез РНК здебільшого здійснюється на матриці ДНК.
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 ділянка ДНК, з якої переписується інформація, — транскрипту.
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, 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 транскриптону, зустрічається з термінатором — особливою послідовністю нуклеотидів молекули ДНК, наприклад АТТ, АТЦ, АЦТ. Поява термінатора слугує 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) є 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 тільки 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 віруса, яка проникла в клітину.
Біосинтез білка. Основні етапи матричного синтезу білка
Підготовчий етап білкового синтезу включає активацію амінокислот та їх взаємодію з т-РНК. Активування амінокислот відбувається в цитоплазмі клітини за рахунок енергії АТФ. Далі амінокислоти, активовані за допомогою АТФ, взаємодіють з т-РНК. Кожній амінокислоті відповідає своя специфічна т-РНК.
Індивідуальні т-РНК мають як загальні риси будови, так і свої особливості. Усі різновидності т-РНК несуть на одному кінці (аміноацильному кінці) одну й ту ж послідовність нуклеотидів — ЦЦА.
У цьому триплеті залишок кінцевого аденозину (А) слугує для приєднання активованої амінокислоти.
Друга ділянка строго специфічна для різних т-РНК: на ній міститься триплет нуклеотидів, званий антикодоном. Кожній амінокислоті відповідає певний антикодон на кінці т-РНК. Антикодон забезпечує специфічну взаємодію двох нуклеїнових кислот — т-РНК та і-РНК, яка здійснюється на наступних етапах синтезу білка в рибосомах.
На етапі елонгації відбувається перетворення послідовності кодонів і-РНК у послідовність амінокислот синтезованої молекули білка. Основою такого перетворення є генетичний код.
Завдяки генетичному коду інформація, закодована в молекулі ДНК, через і-РНК переноситься до рибосом, а далі за допомогою т-РНК перетворюється в інформацію про амінокислотний склад майбутнього білка. Так утворюється унікальна для кожного білка послідовність амінокислот, тобто первинна структура білкової молекули.
