Матричний синтез являє собою освіта біополімеру, послідовність ланок у якому визначається первинною структурою іншої молекули. Остання ніби виконує роль матриці, “диктує” потрібний порядок складання ланцюга. У живих клітинах відомі три біосинтетичних процесу, заснованих на цьому механізмі.
Які молекули синтезуються на основі матриці
До реакцій матричного синтезу відносять:
- реплікацію – подвоєння генетичного матеріалу;
- транскрипцію – синтез рибонуклеїнових кислот;
- трансляцію – виробництво білкових молекул.
Реплікація являє собою перетворення однієї молекули ДНК у дві ідентичні один одному, що має величезне значення для життєвого циклу клітин (мітоз, мейоз, подвоєння плазмід, поділ бактеріальних клітин тощо). Дуже багато процеси засновані на “розмноження” генетичного матеріалу, а матричний синтез дозволяє відтворити точну копію будь-якої молекули ДНК.
Транскрипція і трансляція являють собою дві стадії реалізації геному. При цьому спадкова інформація, записана в ДНК, перетворюється в певний білковий набір, від якого залежить фенотип організму. Даний механізм іменується шляхом “ДНК-РНК-білок” і становить одну з центральних догми молекулярної біології.
Реалізація цього принципу досягається за допомогою матричного синтезу, який сопрягает процес утворення нової молекули з вихідним зразком”. Основою такого сполучення 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 “дочірньої” ланцюга. Якщо хімічна природа синтезованої і матричної молекул збігаються (ДНК-ДНК або ДНК-РНК), то з’єднання відбувається безпосередньо, так як кожен нуклеотид має пару, з якої може зв’язатися.
Для синтезу білка необхідно посередник, одна частина якого взаємодіє з матрицею по механізму нуклеотидного відповідності, а інша приєднує білкові ланки. Таким чином, принцип комплементарності нуклеотидів працює і в цьому випадку, хоч і не пов’язує безпосередньо ланки матричної та синтезованої ланцюгів.
Етапи синтезу
Всі процеси матричного синтезу поділені на три етапи:
- ініціація (початок);
- елонгація;
- термінація (закінчення).
Ініціація являє собою підготовку до синтезу, характер якої залежить від виду процесу. Головною метою цієї стадії є приведення системи фермент-субстрат в робочий стан.
Під час елонгації безпосередньо здійснюється нарощування синтезованої ланцюга, при якому між підібраними згідно матричної послідовності ланками замикається ковалентний зв’язок (натуральних або фосфодиэфирная). Термінація призводить до припинення синтезу і звільненню продукту.
Роль комплементарності в механізмі матричного синтезу
Принцип комплементарності заснований на вибірковому відповідно азотистих основ нуклеотидів один одному. Так, аденину в якості пари підійдуть тільки тимін або урацил (подвійний зв’язок), а гуанину – цитозин (3 потрійний зв’язок).
У процесі синтезу нуклеїнових кислот з ланками одноланцюгової матриці зв’язуються комплементарні нуклеотиди, шикуючись в певну послідовність. Таким чином, на підставі ділянки ДНК ААЦГТТ при реплікації може вийти тільки ТТГЦАА, а при транскрипції – УУГЦАА.
Як вже було зазначено вище, білковий синтез відбувається з участю посередника. Цю роль виконує транспортна РНК, яка має ділянку для приєднання амінокислоти і нуклеотидний триплет (антикодон), призначений для зв’язування з матричної РНК.
У цьому випадку комплементарний підбір відбувається не за одним, а за три нуклеотиду. Так як кожна амінокислота специфічна тільки до одного виду тРНК, а антикодон відповідає конкретному триплету в РНК, що синтезується білок з певною послідовністю ланок, яка закладена в геномі.
Як відбувається реплікація
Матричний синтез ДНК відбувається з участю безлічі ферментів і допоміжних білків. Ключовими компонентами є:
- ДНК-хеликаза – розплітає подвійну спіраль, руйнує зв’язку між ланцюгами молекули;
- ДНК-лигаза – “зшиває” розриви між фрагментами Оказакі;
- праймаза – синтезує затравку, необхідну для роботи ДНК-синтезує фрагмента;
- SSB-білки – стабілізують одноцепочечные фрагменти расплетенной ДНК;
- ДНК-полімерази – синтезують дочірню матричну ланцюг.
Хеликаза, праймаза і SSB-білки готують грунт для синтезу. У результаті кожна з ланцюгів вихідної молекули стає матрицею. Синтез здійснюється з величезною швидкістю (від 50 нуклеотидів в секунду).
Робота ДНК-полімерази відбувається в напрямку від 5’к 3`- кінця. З-за цього на одній з ланцюгів (провідною) синтез відбувається по ходу розплітання і безперервно, а на іншій (відстає) – в зворотному напрямку і окремими фрагментами, названими “Оказакі”.
Y-образна структура, утворена в місці розплітання ДНК, називається репликационной виделкою.
Механізм транскрипції
Ключовим ферментом транскрипції є РНК-полімераза. Остання буває декількох видів і відрізняється за будовою у прокаріотів та еукаріотів. Проте механізм її дії скрізь однаковий і полягає в нарощуванні ланцюга комплементарно підбираються рибонуклеотидов з замиканням фосфодиэфирной зв’язку між ними.
Матричної молекулою для цього процесу служить ДНК. На її основі можуть створюватися різні типи РНК, а не тільки інформаційні, які використовуються в білковому синтезі.
Ділянка матриці, з якого “списується” послідовність РНК, називається транскриптоном. У його складі є промотор (місце для приєднання РНК-полімерази) і термінатор, на якому синтез зупиняється.
Трансляція
Матричний синтез білка і у прокаріотів, і у еукаріотів здійснюється в спеціалізованих органоидах – рибосомах. Останні складаються з двох субодиниць, одна з яких (мала) служить для зв’язування тРНК і матричної РНК, а інша (більша) бере участь в утворенні пептидних зв’язків.
Початок трансляції передує активація амінокислот, тобто приєднання їх до відповідним транспортним РНК з утворенням макроэргической зв’язку, за рахунок енергії яких згодом здійснюються реакції транспептидирования (приєднання до ланцюга чергового ланки).
У процесі синтезу також беруть участь білкові фактори і ГТФ. Енергія останнього необхідна для просування рибосоми за матричної ланцюга РНК.
