Лекція 1 + 1

Матричними називаються такі процеси, при яких на основі первинної структури одного биополимера, званої матрицею, синтезується первинна структура іншого биополимера, званого копією, причому структура матриці визначає структуру копії. До матричних процесів відносяться:

1.біосінтез ДНК або реплікація;

2.біосінтез РНК або транскрипція;

3. біосинтез білка або трансляція.

Будь-матричний процес можна розбити на 3 фази:

1. Початок синтезу або ініціація

2.Продовження синтезу або елонгація

3.окончаніе синтезу або термінація.

Це ферментативні процеси, крім того, що вимагають витрати не ферментних білкових факторів. Це енергозалежніпроцеси, які вимагають витрати енергії у вигляді АТФ або ГТФ. Провідним правилом всіх матричних процесів є правило компліментарності. В ході перших двох процесів, які в основному здійснюються в ядрі клітини, матрицею є нуклеїнові кислоти і копією нуклеїнові кислоти. В процесі транскрібціі матрицею є нуклеїнова кислота, а копія поліпептидний ланцюг.

Зазвичай у клітинних організмів матриця це ДНК і копія ДНК. У вірусів можливі варіанти: у так званих ретровірусів матрицею є РНК копією ДНК (наприклад, вірус СНІДу), у рібовірусов, які містять молекули РНК, зустрічаються випадки, коли матрицею є РНК, а копією РНК (наприклад, вірус грипу). У ДНК-вірусів і матрицею, і копією є ДНК (віруси паразитують бактерій). Реплікація-це матричний процес, в ході якого на основі однієї двуцепочечной молекули синтезується дві дочірні молекули двуцепочечной ДНК ідентичні як один одному, так і материнської молекулі. Цей процес йде перед поділом клітини і необхідний для нормального розподілу генетичної інформації по дочірнім клітинам. Реплікація йде напівконсервативним способом це означає, що в кожну дочірню молекулу ДНК входить як материнська, так і новостворена дочірня ланцюг.

Матрицями в процесі реплікації є одноцепочечниє ДНК, отримані з двуцепочечной ДНК, за рахунок розриву водневих зв'язків, тому копії, утворюються на матриці не ідентичні, а комплементарні один одному. З іншого боку правило компліментарності, і напівконсервативний спосіб синтезу призводить до того, що утворені дочірні молекули ідентичні один одному і материнської.

Центральним ферментом даного процесу є фермент ДНК-залежна-ДНК-полімераза.

ДНК-полімераза як субстрат може використовувати тільки нуклеозидтрифосфат тобто до зростаючої копії можуть приєднатися лише нуклеотиди;

ДНК-полімераза не спроможна починати синтез, а здатна нарощувати 3 'кінець вже наявної нуклеотидной ланцюжку, отже, для роботи ДНК-полімерази потрібна «запал».

ДНК-полімераза може працювати тільки в одному напрямку нарощувати тільки 3 'кінець. Оскільки синтез копії йде завжди антіпараллельни матриці, то копія синтезується від 5 'до 3'. У проккоріот зустрічаються тільки два типи полимераз: полімераза 1 і полімераза 2. У еукоріот: полімераза α, полімераза β, полімераза ε, полімераза δ, полімераза γ (в метохондріях).

Для всіх ядерних полимераз характерні певні особливості, пов'язані з реплікацією:

Полімераза α може синтезувати тільки невеликі фрагменти ДНК, саме вона може приєднаються до «затравки» і нарощувати 3 'кінець; полімераза ε синтезує дуже довгі фрагменти ДНК; полімераза γ синтезує середні фрагменти ДНК. Як і будь-який матричний процес, реплікація вимагає участі ферментів білкових чинників, енергії у вигляді АТФ. Ділиться на три стадії:

1. ініціація - починається в певних точках на молекулі ДНК, які багаті А = Т, у проккоріот точки початку реплікації називаються точки ori. у еукоріот вони отримали назву автономні реплицирующихся послідовності або реплікатори. Ori -район розпізнається ori -зв'язуючим білками, які активізуються завдяки фосфолілірованія.

Комплекс білка і точки- ori розпізнається ферментами ХЕЛІКАЗОЙ, які починають розривати водневі зв'язку в А = Т парах, в результаті чого утворюється реплікаційний вічко.

По обидва боки від Реплікаційний вічка двуцепочечной ДНК суперспералізуется. Проблему суперспералізаціі вирішує фермент топоізомераза.

Цей фермент надрізає одну з ниток ДНК, розплутує її і потім зшиває назад. Виникає проблема відновлення водневих зв'язків між ланцюгами, або виникнення так званих Реплікаційний шпильок. Ця проблема вирішується за допомогою стабілізуючий білків SSBP -белков, які приєднуються кооперативно до одного ланцюжка ДНК і заважають виникненню водневих зв'язків і Реплікаційний шпильок.

Ще однією проблемою є створення затравки тому ДНК-полімераза не може починати синтез, однак синтез може починати ДНК-залежна-РНК-полімераза, яка називається проймаза, вона за правилом компліментарності будує на матриці фрагмент РНК або праймер, який і є приманкою. Побудова праймера йде від 5 'до 3' кінця.

До праймеру приєднується ДНК-полімераза α, яка може нарощувати 3 'кінець РНК.

На цьому етапі ініціація закінчується.

2. елонгація - здійснюється за допомогою ферментів ДНК-пол ε і ДНК-пол δ

на нижню частину нашого малюнка сідає підлогу ε, яка може синтезувати довгі нуклеотидні послідовності. Полімераза може тільки нарощувати 3 'кінець, отже, на нижній ланцюга на нашу малюнку йде безперервний синтез, такий ланцюг називається лідируюча. На верхній ланцюга на нашу малюнку синтез копії також йде від 5 'до 3' за рахунок роботи пів-δ.

На верхній ланцюга на нашу малюнку відбувається багаторазова ініціація тому пол-δ може нарощувати тільки 3 'в результаті синтез буде фрагментарним, і фрагменти ДНК отримали назву фрагменти Окадзакі, такий ланцюг називається відстає.

необхідно видалити праймер це здійснюється фермент екзонуклеаза, яка сідає на гібридні ділянки і руйнує праймер. Утворюються проломи, які потрібно добудувати це здійснюється або пів-α. або пів-β забудова йде від 3 'до 5' кінця. Виникає проблема зшивання сахарафосфатного остова, ця проблема вирішується за допомогою ферменту лігази, яка може утворювати ковалентні зв'язки з запалом за допомогою енергії АТФ. На ДНК одночасно може існувати кілька реплікаторів, в яких починається ініціація реплікації, ту ділянку ДНК, на якому закінчується синтез, називається термінатор. Ділянка молекули ДНК між двома терминаторами, які містять автономну реплікації послідовність, називаються реплікони. Т.ч. одна молекула ДНК може містити багато репліконов. На кінцевих ділянках ДНК виникає проблема із забудовою проломи на лідируючій ланцюга. З кожної репликацией молекула ДНК коротшає, кінцеві ділянки ДНК не містять гени і, отже, не несуть генетичної інформації. Кількість клітинних поділів обмежена. В організмі є клітини, які можуть ділиться необмежену кількість разів. Це попередники статевих клітин, стовбурові клітини крові, ракові клітини. Виявилося, що в тканинах таких клітин в активній формі знаходяться фермент теломераза. Теломераза здатна подовжувати 3 'кінець матриці.

Це матричний процес в ході, якого на матриці одноцепочечной ДНК синтезується одноцепочечная РНК (для всіх клітинних організмів), у вірусів можливі варіанти: на матриць РНК синтезується копія РНК. Існують одиниці транскрипції, які були названі транскріптонамі і які набагато коротше репліконов. Кожен транскріптон включає в себе 3 ділянки:

Ферментом, який забезпечує процес транскрипції, є ДНК-залежна-РНК-полімераза. У проккоріот існує один універсальний фермент РНК-полімераза, яка працює на всіх транскріптонах. У еукоріот існує три варіанти полимераз: полімераза 1, полімераза 2, полімераза 3, які здійснюють різні процеси: полімераза 1 працює на транскрібтонах, які відповідають за синтез великий рибосомальної РНК; полімераза 2 працює на транскрібтонах, які відповідають за синтез матричної РНК; полімераза 3 працює на транскрібтонах, які відповідають за синтез тРНК і малої рибосомальної РНК. Для великої рибосомальної РНК характерний коефіцієнт 45 S. для малої рибосомальної РНК 5 S. В даний час вважається, що у еукоріот спочатку була одна полімераза 2, а потім з неї за рахунок модифікацій виникли полімераза 1 і полімераза 3. для нормального здійснення транскрипції полімераза повинна зв'язуватися з певними білками, які отримали назву транскрибується чинники. Існує у еукоріот принаймні кілька транскрибується факторів: ТФ1; ТФ2; ТФ3 ... процес енергозавісім, а як все матричні процеси ділиться на ініціацію, елонгацію і терминацию.

1. ініціація починається з району, який отримав назву ініціатора. Він ділиться на два відділи:

регулятор, промотор. Регулятор необхідний для приєднання регуляторних молекул, які можуть активувати або гальмувати процес транскрипції. До промотору на початку транскрипції приєднується транскрибується фактор і лише після цього комплекс промотор + Тф розпізнається

РНК-полімераза. Для промотора характерна наявність так званого ТАТА-боксу. Після утворення комплексу промотор + ТФ до нього приєднується РНК-полімераза. Вона має низку особливостей:

Як субстрат використовуються рибонуклеази;

Може сама починати синтез, побудова «затравки» не потрібно;

Здатна нарощувати тільки 3 'кінець, тобто працювати в напрямку від 5 'до 3';

Володіє хеліказной активністю.

Приєднання ТФ необхідно для того, щоб РНК-полімераза могла: впізнати промотор, зійти з промотора на кодує область. Після того як РНК-полімераза сходить на кодує область процес ініціації закінчується. ТФ може залишитися в ТАТА-бокс, або сходить з ТАТА-боксу.

2. елонгація полягає в побудові молекули РНК за правилом компліментарності від 5 'до 3' кінця. Між дезоксірібонуклеотідов і рібонуклеатідамі немає повної відповідності, вони слабо реагують один з одним і не утворюють міцних водневих зв'язків, тому копія практично відразу ж сходить з матриці. У міру проходження РНК-полімераза ДНК відновлює свою нормальну структуру у вигляді подвійної спіралі.

3. термінація. Термінатор містить спеціальну послідовність нуклеотидів, які можуть зв'язуватися з терминирующего фактором. У еукоріот таких факторів багато, у прокаріотів ρ-фактор, ξ-фактор. Приєднання терминирующего чинників призводить до утворення шпильок на ДНК і РНК-полімераза не може рухатися далі. Вона сходить з первинного транскріптона, і потім вони дисоціюють. Для синтезу молекули РНК використовується тільки один ланцюг ДНК в транскріптоне. Вибір ланцюга визначається положенні промотора. Первинні транскрипти нефункціональні і тому піддаються різним модифікаціям. У загальному вигляді вони отримали назву процесинг або дозрівання РНК.