§ 21. Матричний синтез: реплікація, транскрипція, трансляція
Матричний синтез. Важливою особливістю хімічних процесів, що відбуваються в живих системах, є реакції матричного синтезу. Що це за реакції? У техніці й поліграфії термін матриця (від лат. матрікс — початок, джерело) означає зразок, модель, штамп, шаблон, форму, інструмент, що використовують для серійного виробництва однакових предметів, наприклад монет. Так само внаслідок реакцій матричного синтезу з одних біологічних молекул, які слугують матрицею, «відливається» безліч однакових молекул-копій.
Слід зазначити, що реакції синтезу в неживій природі — взагалі щось рідкісне й надзвичайне, а такий складний процес, як матричний синтез, що обов’язково повинен каталізуватись спеціальними ферментами, за межами клітини просто неможливий. Саме тому чимало вчених вважає, що важлива відмінність живого від неживого — це не просто наявність обміну речовин, а саме реакції матричного синтезу.
Завдяки реакціям матричного синтезу в клітині відбувається синтез усіх біополімерів, за винятком полісахаридів, ланцюги яких, як ви, напевно, пам’ятаєте, на відміну від інших, утворюються з однакових мономерів.
Синтез ДНК. Процес синтезу ДНК розпочинається перед поділом клітини й зумовлений необхідністю утворення нового полінуклеотидного ланцюга, який синтезується в повній відповідності до «матриці» старого ланцюга, тобто за принципом комплементарності: навпроти нуклеотиду А старого ланцюга розміщується нуклеотид Т нового (або навпаки), а навпроти Ц — відповідно Г (або також навпаки). Саме тому синтез ДНК називають реплікацією (від. лат. реплікаціо — відбиття (іл. 21.1).
Іл. 21.1. Схема реплікації ДНК
Відбувається він у такій послідовності. Спочатку під дією спеціальних ферментів подвійна спіраль розкручується й утворюється реплікативна вилка. Майже відразу завдяки ферменту ДНК-полімеразі починається ферментативне складання нових полінуклеотидних ланцюгів. Причому на різних ланцюгах ДНК синтез відбувається неоднаково. На першому ланцюзі синтез полінуклеотидів триває безперервно — від початку розкрученої ділянки до кінця. На другому ланцюзі синтез відбувається з деяким запізненням і спрямований у протилежний бік: спочатку збираються невеликі блоки, що згодом «зшиваються» в єдиний ланцюг.
Особливостями матричного синтезу є точність копіювання та висока швидкість перебігу реакцій. Надійність копіювання — це надзвичайно важлива властивість процесу реплікації.
Біосинтез білка. Цей процес доволі непростий та складається з трьох головних етапів.
Перший етап — транскрипція (від лат. транскріпціо — переписую), або синтез РНК за матрицею ДНК (іл. 21.2).
Молекули ДНК не беруть безпосередньої участі в синтезі білка, цим процесом займаються «посередники» — молекули РНК. При цьому транспортні (тРНК) і рибосомальні (рРНК) виконують допоміжні, технічні функції, а ключову роль відведено інформаційній (іРНК). Усі без винятку молекули РНК синтезуються за матрицями, якими слугують певні ділянки ДНК. При цьому тРНК синтезуються на багатьох ділянках, розкиданих по різних хромосомах, а рРНК — у спеціальних утвореннях — ядерцях, що також розміщуються на різних хромосомах. Число ядерець в одній клітині завжди кратне двом і може змінюватись у межах від 2 до 10, що залежить не лише від виду організму, а й від його стану. У період інтенсивного росту число ядерець зростає.
Іл. 21.2. Схема транскрипції (стрілочкою показано напрям матричного синтезу)
Початком синтезу білка є зчитування інформації з молекули ДНК, яке здійснюється лише з одного ланцюга, який вважають відомим, а інший слугує лише стабілізатором структури ДНК. Причому в різних генів, розташованих на одній молекулі ДНК, зчитування відбувається з того чи іншого ланцюга. Цей процес починається лише з певних триплетів ДНК — ТАЦ і ЦАТ, які відповідно кодують амінокислоти ізолейцин та валін. Подібно до того, як по одній нитці ДНК відбувається синтез другої нитки ДНК, так і по розплетеній нитці ДНК здійснюється синтез молекули іРНК. Реакція прискорюється ферментом РНК-полімеразою, а тому протікає дуже швидко та з високою точністю.
Завдяки комплементарним зв’язкам нуклеотидів проти нуклеотиду ДНК стає відповідний нуклеотид РНК. Тому проти ГДНК. стає ЦРНК; проти ЦДНК. — ГРНК; проти ТДНК — АРНК і проти АДНК — УРНК. Далі ці нуклеотиди «зшиваються» РНК-полімеразою в один полінуклеотидний ланцюг іРНК. Він, з одного боку, повністю комплементарний ділянці ДНК, з якої він зчитувався, а з іншого — є майже точною копією другої ділянки ДНК. Процес синтезу іРНК зупиняється на певних кодонах ДНК (АЦТ, ATT, АТЦ), які отримали назву стоп-кодонів і які не кодують амінокислот.
Другий етап — процесинг (від англ. process — хід, рух). Так називають «визрівання» матриці іРНК, яке безпосередньо передує синтезу поліпептидних ланцюгів (іл. 21.3). Що таке визрівання іРНК і для чого воно потрібне? Слід зазначити, що гени еукаріотних організмів мають переривчасту будову й відрізки гена, які кодують амінокислотні послідовності — екзоті (від грец. екзо — зовні), — чергуються з ділянками ДНК, які не несуть генетичної інформації, — інтронами (від лат. inter — поміж). Тому на другому етапі синтезу білка відбувається «редагування» послідовності: спочатку на перший стадії з неї вирізаються інтрони, а екзони на другій стадії за допомогою спеціальної ферментної системи «зшиваються» в одну більш коротку нитку іРНК.
Іл. 21.3. Процесинг: І стадія — незріла іРНК; II стадія — зріла іРНК
Третій етап — трансляція, або синтез білка за матрицею іРНК. Процес синтезу поліпептидного ланцюга являє собою переписування інформації з «мови» нуклеїнових кислот на «мову» білків і тому має назву трансляція (від лат. трансляцій — перенесення). Відбувається цей процес у такий спосіб. Ядерна іРНК за допомогою спеціальних білків крізь пори в ядерній оболонці виходить у цитоплазму клітини. Далі по каналах шорсткої ендоплазматичної сітки вона транспортується на те місце клітини, яке потребує білок, амінокислотний склад якого вона кодує.
На один кінець молекули іРНК нанизується рибосома і синтез поліпептидного ланцюга відбувається «крок за кроком»: рибосома пересувається наче «кроками» з триплету на триплет (іл. 21.4). На кожному «кроці» відбувається приєднання до ланцюга однієї амінокислоти. Швидкість синтезу ланцюга висока, зв’язування однієї амінокислоти триває близько 0,5 с та відбувається за участі спеціальних ферментів. Процес з’єднування амінокислот у єдиний ланцюг триває до стоп-кодона, а це означає, що синтез закінчено. Після цього рибосома сходить з ланцюга іРНК, від неї відділяється поліпептидний ланцюг, який спочатку закручується у спіраль, а потім набуває третинної структури. На одній молекулі іРНК одночасно може розміщуватись до 5 рибосом. Така структура отримала назву полісома (від грец. полі — багато, сома — тіло). Один і той же ланцюг іРНК може використовуватись багаторазово (іл. 21.5).
Якщо синтези ДНК та РНК відбуваються за матрицею ДНК і нуклеотиди самі знаходять собі місце в ланцюзі, то амінокислоти не комплементарні відповідним трьом нуклеотидам. Функцію добору та транспорту амінокислот здійснюють тРНК. На передній частині цієї молекули міститься триплет. Він комплементарний триплету іРНК і є розпізнавальним знаком цього типу тРНК. Однак послідовність триплету тРНК — обернена кодону іРНК, а тому його називають антикодоном (іл. 7.5, 20.4). Отже, кожна амінокислота має одну або кілька тРНК, які зв’язуються зі специфічною для них амінокислотою, просувають її до рибосоми, а потім шляхом взаємодії антикодону з кодоном визначають порядок розташування амінокислоти у поліпептидному ланцюзі.
Іл. 21.4. Схема біосинтезу білка.
1. Молекула іРНК зв’язується з малою субодиницею рибосоми. Ініціатор-тРНК зв’язується зі старт-кодоном на іРНК.
2. Велика субодиниця прикріплюється до малої субодиниці, створюючи функціональну рибосому.
3. Антикодон іншої тРНК з амінокислотою прикріплюється до додаткового кодону іРНК поруч з ініціатор-тРНК.
4. Між амінокислотами утворюється пептидний зв’язок, який переноситься ініціатор-тРНК і тРНК, що поруч з нею.
5. Після утворення пептидного зв’язку тРНК від’єднується від рибосоми, а рибосома просуває ланцюг іРНК на один кодон. Оскільки тРНК несе новосформовані фрагменти білкової молекули, інша тРНК з амінокислотою зв’язується з новим кодоном. Під час подовження білкової молекули кроки 3-5 повторюються знову і знову.
6. Синтез білка закінчується, коли рибосома досягає стоп-кодону. Сформована молекула білка від’єднується від кінцевої тРНК тРНК вивільняє рибосому й вона розпадається на велику та малу субодиниці.
Іл. 21.5. Полісома
Дія генів — це визначення складу і структури білків, що синтезуються в клітини, а також чітко визначені впливи, що регулють синтез РНК і білків. Причому реалізація генетичної інформації відбувається на двох рівнях: від ДНК до РНК і від РНК до білків. Невипадково принцип «один ген — один поліпетидний ланцюг» є одним з найважливіших принципів генетики й сучасної біології.
Особливості матричного синтезу в прокаріотів. Процеси синтезу РНК і білків у бактерій значно простіші, адже синтез РНК відбувається безпосередньо в цитоплазмі. Крім того, їх гени не мають інтронів, а тому процес визрівання у них не відбувається — їх іРНК одразу ж готова до трансляції. Крім того, якщо в клітинах еукаріотів майже 95 % ДНК не мають безпосереднього відношення до генетичної інформації, то у бактерій усе навпаки: практично вся ДНК — це і є структурні гени, а це означає, що шлях від ДНК до білків у бактерій значно коротший, ніж в еукаріотів.
За допомогою матричного синтезу відбувається синтез ДНК (реплікація), РНК (транскрипція), білків (трансляція). За своєю суттю — це процес реалізації генетичної інформації, що відбувається на двох рівнях і є переходом від молекул ДНК до РНК і від РНК до білків. В еукаріотів реалізація генетичної інформації відбувається у три етапи: транскрипція, процесинг і трансляція.
1. Чому матричний синтез вважають однією з найважливіших ознак живого? 2. На яких рівнях відбувається реалізація генетичної інформації? 3. Чому РНК, яка синтезується на матриці ДНК, називають інформаційною? 4. Чому процес синтезу білка позначили терміном, що походить від латинського слова «трансляціо»? 5. У чому полягають функції транспортної РНК?
• Транскрипція відбувається лише з одного ланцюга ДНК. Чому?
Підготовка випускників до ЗНО з біології за темою “Матричний синтез”
Презентація для підготовки учнів до ЗНО з біології за темою “Матричний синтез”. Презентації є теоретична та практична частини, а також посилання для самостійного опрацювання.
Важливою особливістю хімічних процесів, що відбуваються в живих системах, є реакції матричного синтезу Матриця (від лат. матрікс — початок, джерело) означає зразок, модель, штамп, шаблон, форму, інструмент, що використовують для серійного виробництва однакових предметів. Реакції матричного синтезу лежать в основі реакцій біосинтезу нуклеїнових кислот і білків, а саме: реплікація ДНК, транскрипція та трансляція
У процесі реплікації ДНК матрицею виступають ланцюги материнської ДНК, з яких за принципом коплементарності напівконсервативним шляхом утворюються дві дочірні молекули ДНКматеринські ланцюгидочірні ланцюги. ДНКУ процесі транскрипції матрицею виступає один з ланцюгів ДНКзмістовий ланцюг ДНКтранскрипціяіРНКтрансляціябілокамінокислоти. Ген 1 Ген 3 Ген 2 У процесі трансляції матрицею виступає зріла іРНК, з якої інформація переноситься на амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюга
Реплікація – складний багатоетапний процес самоподвоєння молекули ДНК, який забезпечує точне копіювання генетичної інформації і передавання її з покоління в поколінняматеринська ДНКрозходження ланцюгів. Кожна з дочірніх ДНК містить один материнський ланцюг і один синтезований. Дві утворені молекули ДНК є абсолютно ідентичними, і кожна дочірня клітина в результаті поділу отримує копію материнської ДНК
Генетичний код – певна відповідність між послідовністю нуклеотидів в молекулі ДНК (іРНК) і послідовністю амінокислот в молекулі білка, яка нею кодується Нуклеотиди ДНК:аденін (А)тимін (Т)гуанін (Г)цитозин (Ц)Нуклеотиди РНК:урацил (У)аденін (А)цитозин (Ц)гуанін (Г)
Білок інсулінланцюг В30 амінокислотланцюг А21 амінокислота. Для синтезу білків у природі використовуються 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком амінокислот у чітко визначеній послідовності – ця послідовність називається первинною структурою білка
Транскрипція – синтез РНК на матриці ДНКТрансляція – реалізація генетичного коду у вигляді амінокислотної послідовності – синтез поліпептідного ланцюжка на матриці іРНКкодони. Таблиця генетичного коду. Реалізація генетичного коду в живих клітинах здійснюється завдяки матричним процесам:
Транскрипція — процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриці, що відбувається у всіх живих клітинах,- перенесення генетичної інформації з ДНК на РНКантизмістовний (матричний) ланцюгзмістовний ланцюг. ДНКРНК У процесі транскрипції відбувається синтез усіх видів РНК: інформаційної, транспортної та рибосомальної. Реакція прискорюється ферментом РНК-полімеразою, а тому протікає дуже швидко та з високою точністю
Процесинг Неінформативні ділянки незрілої пре-іРНК – інтрони -вирізаються , а інформативні – екзони – ферментною системою «зшиваються» в одну коротку нитку – зрілу іРНККеп – структура на 5′-кінці іРНК, що складається з модифікованих нуклеотидів, сприяє ефективному процесингу пре-іРНК, її експорту з ядра, трансляціїта захисту від швидкої деградаціїкепування і зміна 3′-кінця сплайсинг екзон інтрон екзонбілки. Вирізання інтронів. Зшивання екзонів екзон екзон
Трансляція Трансляція — синтез білків з амінокислот у рибосомі на матриці інформаційної РНКіРНКрибосомаполіпептидіРНКрибосомаамінокислотат. РНК
Транспортна РНК переносить амінокислоти у цитоплазмі до місця синтезу білка – рибосомантикодонакцепторна ділянка ЦЦАкодон іРНКамінокислота. Транспортна РНК має довжину 73-93 нуклеотиди, розміри біля 5 нм, структуру «листка конюшини»Трансляція
Запитання ЗНО попередніх років з даної теми
Проаналізуйте твердження щодо геному клітин.І. Геном еукаріотичної клітини має зазвичай більший розмір, ніж геном прокаріотичної клітини.ІІ. Частина геному клітини не містить інформації про будову білків або РНК. Чи є поміж них правильні?А-правильне лише ІБ-правильне лише ІІВ-обидва правильніГ-немає правильних
Схарактеризуйте процес реплікації. Локалізація1-ядро2-комплекс Гольджі3-лізосома. Основне призначення – синтез1-білка2-РНК3-ДНКОсновний учасник процесу1-РНК-полімераза2-ДНК-полімераза3-рибосома
Визначте правильні характеристики процесу транскрипції. Локалізація1ядро2комплекс Гольджi3лізосома. Основне призначення1синтез ДНК2синтез РНК3синтез білка. Основний учасник процесу1 ДНК-полімераза2 РНК-полімераза3рибосома
Скільки залишків рибози містить РНК, що синтезована на фрагменті ДНК з 2400 нуклеотидами?А800 Б1200 В2400 Г4800