Что относится к матричному синтезу

Параграф 77. Матричные синтезы общая характеристик

Автор текста Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены.
Продавать текст нельзя.
Курсив не нужно зубрить.
Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5

Параграф 77:
Матричные синтезы. Общая характеристика.
См. затем:
п.79 (репликация ДНК), п.80 (транскрипция), 82 (трансляция).
Но сначала: п.70, 73 и 74.

Сокращения:
НК – нуклеиновые кислоты, ФДЭ – Фосфо/Ди/Эфирные связи.

— Как порядок нуклеотидов матричной цепи
определяет порядок нуклеотидов синтезируемой цепи.
— Как происходит присоединение очередного нуклеотида синтезируемой цепи
к предыдущему нуклеотиду синтезируемой цепи.
— ВИДЫ матричных синтезов (МС).

Что представляют собой нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)?

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) представляют собой
последовательности («цепочки») нуклеотидов (нуклеотидных остатков),
связанных ФДЭ-связями.

При этом НК является полимером, а нуклеотиды – мономерами.

Число нуклеотидов в НК может достигать миллиардов.

Напомним, что в состав каждого нуклеотида в НК входят:
азотистое основание, рибоза (или дезоксирибоза) и один фосфат.

Водородные связи между основаниями, нуклеотидами и НК.

Между азотистыми основаниями нуклеотидов,
входящими в состав нуклеиновых кислот,
могут образовываться водородные связи.

Между гуанином и цитозином образуются три водородные связи,
а между аденином и тимином – две водородные связи.

Поэтому аденин «предпочитает» связываться с тимином,
а гуанин – с цитозином.

Поэтому говорят, что аденин комплементарен тимину,
а гуанин комплементарен цитозину.

Пару оснований А-Т и пару Г-Ц называют комплементарными парами.

Пара аденин-урацил также является комплементарной.
Урацил, как и тимин, предпочитает связываться с аденином,
образуя при этом две водородных связи.
Но урацила в составе «готовой» ДНК нет – он входит в состав РНК.
Но нуклеотиды с урацилом используются при синтезе ДНК – см. о праймерах в п.78.

Что происходит с нуклеотидами при синтезе НК из них?

При синтезе НК происходит соединение нуклеотидов ФДЭ-связями.
Причём они должны расположиться в строго определенном порядке.

Чем определяется порядок нуклеотидов в НК при её синтезе?

Порядок нуклеотидов синтезируемой НК
определяется порядком нуклеотидов другой нуклеиновой кислоты.

Об этой другой НК говорят, что она играет роль МАТРИЦЫ,
и называют ее матричной цепью.

Можно говорить, что порядок нуклеотидов синтезируемой НК определяется матрицей,
уточняя при этом, что матрицей является другая нуклеиновая кислота,
и именно порядок нуклеотидов матричной нуклеиновой кислоты
определяет порядок нуклеотидов в синтезируемой НК.

Как порядок нуклеотидов матричной цепи
определяет порядок нуклеотидов синтезируемой цепи.

При синтезе НК
к нуклеотидам матричной цепи
водородными связями (не ФДЭ)
присоединяются строго определённые нуклеотиды синтезируемой цепи –
не любые, а только те, которые комплементарны
нуклеотидам матричной цепи.

(Чьи азотисные основания,
входящие в состав нуклеотидов синтезируемой цепи,
комплементарны азотистым основаниям,
входящим в состав матричной цепи).

То есть к гуанину, входящему в состав нуклеотида матричной цепи (ДНК или РНК),
присоединяется цитозин,
входящий в состав нуклеотида синтезируемой цепи (ДНК или РНК).

К цитозину, входящему в состав нуклеотида матричной цепи (ДНК или РНК),
присоединяется гуанин,
входящий в состав нуклеотида синтезируемой цепи (ДНК или РНК).

К аденину, входящему в состав нуклеотида матричной цепи,
присоединяется тимин, входящий в состав нуклеотида синтезируемой цепи.
Это если синтезируется ДНК.
А если синтезируется РНК или праймер,
то вместо тимина присоединяется урацил (входящий в состав нуклеотида).

К тимину, входящему в состав нуклеотида матричной цепи (ДНК),
присоединяется аденин,
входящий в состав нуклеотида синтезируемой цепи (ДНК или РНК).

К урацилу, входящему в состав нуклеотида матричной цепи (РНК),
тоже присоединяется аденин,
входящий в состав нуклеотида синтезируемой цепи (ДНК или РНК).

При этом, как уже отмечено выше, присоединение нуклеотидов синтезируемой цепи
к нуклеотидам матричной цепи
происходит за счет образования водородных связей
между азотистыми основаниями нуклеотидов матричной цепи
и комплементарными им основаниями нуклеотидов синтезируемой цепи.

Как уже сказано, водородные связи будут образовываться между комплементарными основаниями,
то есть к аденину матрицы присоединится тимин синтезируемой цепи,
к тимину матрицы присоединится аденин синтезируемой цепи,
к гуанину матрицы присоединится цитозин синтезируемой цепи
и к цитозину матрицы присоединится гуанин синтезируемой цепи.
(При этом все названные основания входят в состав нуклеотидов).

Пример: на участке ДНК (играющем роль матрицы),
содержащем нуклеотиды с основаниями Г-А-Ц-Ц-А-Т,
может синтезироваться цепочка нуклеотидов Ц-Т-Г-Г-Т-А, если синтезируется ДНК.

Но если синтезируется РНК, то в данном фрагменте вместо тимина (Т) будет урацил (У),
и к аденину матрицы присоединяется урацил синтезируемой цепи.
Поэтому на матрице Г-А-Ц-Ц-А-Т получится такая РНК-овая цепочка:
Ц-У-Г-Г-У-А

Если матрицей является не ДНК, а РНК,
то вместо тимина (Т) у нее будет урацил (У),
а подобная цепочка будет такой:
Г-А-Ц-Ц-А-У.
И аденин синтезируемой цепи будет связываться с этим урацилом матрицы.

Таким образом, соединение нуклеотидов синтезируемой цепи
только с комплиментарными им нуклеотидами матричной цепи
(водородными связями)
позволяет «выстроить» нуклеотиды синтезируемой цепи в нужном порядке.

Кроме этого, нужно соединить нуклеотиды синтезируемой цепи между собой ФДЭ связями –
тогда они станут цепочкой, нуклеиновой кислотой.

Образование большинства ФДЭ связей катализируется ферментами, которые называются полимеразами.
Иногда работают ферменты лигазы.

ФДЭ-связи образуются между рибозой (или дезокси/рибозой) предыдущего нуклеотида
и фосфатом присоединяемого (следующего) нуклеотида.

При этом фосфат (нового нуклеотида), его атом фосфора присоединяется
«вместо» атома водорода ОН группы пентозы
в три-штрих положении предыдущего нуклеотида.
Сам фосфат при этом теряет ОН атомы.

Как правильно нарисовать ФДЭ-связь между двумя нуклеотидами.

1. Рисуем два нуклеотида рядом (например, ЦМФ и АМФ).
2. Желательно так, чтобы под рибозой ЦМФ оказался фосфат АМФ.
3. У предыдущего нуклеотида (ЦМФ) нужно зачеркнуть атом Н
в 3-м положении пентозы –
теперь ЦМФ стал так называемым остатком ЦМФ.
4. У следующего нуклеотида (АМФ) нужно зачеркнуть ОН атомы фосфата –
теперь АМФ стал так называемым остатком АМФ.
5. Затем между атомом О в 3-м положении бывшего ЦМФ
и между атомом фосфора бывшего АМФ
нужно нарисовать связь – это и есть ФДЭ-связь между остатками ЦМФ и АМФ.

Точно так же рисуют ФДЭ-связи между любыми другими нуклеотидами.
Если нарисовать рядом 10 нуклеотидов, а затем нарисовать между ними ФДЭ-связи, то получается короткая НК.

Как происходит присоединение очередного нуклеотида
синтезируемой цепи
к предыдущему нуклеотиду синтезируемой цепи.

1). К азотистому основанию очередного нуклеотида матрицы
водородными связями
присоединяется комплементарное ему основание
очередного нуклеотида синтезируемой цепи.
При этом присоединенный нуклеотид синтезируемой цепи содержит ТРИ фосфата.
То есть для синтеза НК используются нуклетиды, содержащие по три фосфата.
Другими словами, субстратами или сырьём для синтеза НК служатЗнуклеозидТРИфосфаты (НТФ).

2). Два крайних фосфата нового нуклеотида отщепляются,
оставшийся один фосфат присоединяется к пентозе предыдущего нуклеотида
синтезируемой цепи ФДЭ-связью
(эти реакции катализируют ферменты полимеразы).

При отщеплении двух фосфатов выделяется энергия, за счет этой энергии образуется ФДЭ связь.
Таким образом, субстратами при синтезе НК являются НТФ,
но из-за отщепления двух фосфатов от каждого НТФ в процессе присоединения нуклеотида получается так,
что состоят НК из НМФ.

ВИДЫ матричных синтезов (МС).

Матричные синтезы – это синтезы, для которых нужна матрица,
которая «подсказывает»,
в каком порядке нужно соединить мономеры синтезируемого полимера.

Известно 5 видов матричных синтезов.
Во всех МС роль матрицы играет НК: ДНК или РНК.

Синтезируемым продуктами при МС могут быть:
ДНК, РНК и белок.

Синтез белка (точнее, полипептидной цепи – первичной структуры будущей молекулы белка) на матрице РНК называется трансляцией («переводом»).

Синтез РНК на матрице ДНК называется транскрипцией («списыванием»),
а противоположный процесс синтеза ДНК на матрице РНК
называется обратной транскрипцией.

Синтез ДНК на матрице ДНК называется ре(ду)пликацией ДНК,
синтез РНК на матрице РНК называется репликацией РНК
(этот МС обнаружен только у вирусов, у человека не обнаружен).

Есть понятие комплементарного партнера (КП) –
вещества, которое непосредственно взаимодействует с матрицей
(по принципу комплементарности).

При трансляции КП являются транспортные РНК (тРНК).

При остальных МС комплементарными партнерами являются НК,
называния которых совпадают с названиями синтезируемых НК –
фактически комплементарными партнёрами называются НК до того, как закончится их синтез (не/до/синтезированные НК).

В тРНК есть участок, который взаимодействует с матрицей (с мРНК).
Этот участок состоит из трех нуклеотидов (является триплетом)
и называется антикодоном –
потому что должен комплементарно связаться с тремя нуклеотидами мРНК,
которые называются кодоном.

К тРНК с определенным антикодоном может присоединяться только один аминоацил (остаток аминокислоты).
За счет этого на матрице мРНК образуется ППЦ,
состоящая из определенных аминоацилов,
расположенных в определенном порядке (мРНК транслируется в ППЦ).

Источник

Матричный характер реакции биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Содержание:

Матричный характер реакции биосинтеза

Термин «матрица» употребляется, когда речь идет об отливке или повторения формы монет, медальонов, типографского шрифта. Форма для отливки точно копирует все детали, не упуская ни малейшей мелочи и не допуская лишних фрагментов. Матричный синтез похож на этот процесс: новые молекулы белка создаются по плану, который заложен в структуре ДНК.

Реакции матричного синтеза позволяют сохранять определенную последовательность мономерных звеньев в полимерной, длинной цепочке белка. Роль матрицы выполняет ДНК, информация с которой попадает на и- РНК. Полученные мономеры «сходят с конвейера» и собираются в одно место в клетке. За счет катализаторов, ускоряющих процесс, он проходит быстро и четко, без сбоев.

Расположение нуклеотидов ДНК и аминокислот белка в строгой последовательности, помогает фиксировать их на матрице, а затем собирать в белковую макромолекулу, «сшивая» определенные участки. Готовый полимер сходит с матрицы, и начинается синтез новой молекулы.

Важно! Благодаря матричному синтезу возможно воспроизведение себе подобных клеток и организмов. Он помогает сохранять уникальный наследственный материал каждого организма.

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Биосинтез белка представляет собой вариант пластического обмена, при котором наследственная информация, собранная в ДНК, реализуется в форме конкретной белковой молекулы. Полученная генетическая информация проявляется в признаках организма за счет специфичных белков.

Белок синтезируется в цитоплазме на рибосомах и этот процесс называется трансляцией. Последовательность процесса биосинтеза белковой молекулы выглядит следующим образом:

К сведению: Скорость биосинтеза белковой макромолекулы большая. У высших животных в 1 мин формируется до 60 тыс. новых цепочек полипептида, соединенных в конкретной последовательности. Из 20 аминокислот создаются комбинации в больших количествах за счет разной длины и последовательности.

Генетическая информация надежно хранится в каждой клетке, участвуя в создании важной и основной структуры – белка, который отвечает за ход метаболизма. Синтез белка – сложный и четко отлаженный процесс, благодаря которому люди обладают общими и отличительными чертами.

Источник

Матричный синтез: описание, особенности и свойства

Матричный синтез представляет собой образование биополимера, последовательность звеньев в котором определяется первичной структурой другой молекулы. Последняя как бы выполняет роль матрицы, «диктующей» нужный порядок сборки цепи. В живых клетках известны три биосинтетических процесса, основанных на этом механизме.

Какие молекулы синтезируются на основе матрицы

К реакциям матричного синтеза относят:

Репликация представляет собой превращение одной молекулы ДНК в две идентичные друг другу, что имеет огромное значение для жизненного цикла клеток (митоз, мейоз, удвоение плазмид, деление бактериальных клеток и т. д.). Очень многие процессы основаны на «размножении» генетического материала, а матричный синтез позволяет воссоздать точную копию любой молекулы ДНК.

Транскрипция и трансляция представляют собой две стадии реализации генома. При этом наследственная информация, записанная в ДНК, преобразуется в определенный белковый набор, от которого зависит фенотип организма. Данный механизм именуется путем «ДНК-РНК-белок» и составляет одну из центральных догм молекулярной биологии.

Реализация этого принципа достигается при помощи матричного синтеза, который сопрягает процесс образования новой молекулы с «исходным образцом». Основой такого сопряжения является фундаментальный принцип комплементарности.

Основные аспекты синтеза молекул на основе матрицы

Информация о структуре синтезируемой молекулы содержится в последовательности звеньев самой матрицы, к каждому из которых подбирается соответствующий элемент «дочерней» цепи. Если химическая природа синтезируемой и матричной молекул совпадают (ДНК-ДНК или ДНК-РНК), то сопряжение происходит напрямую, так как каждый нуклеотид имеет пару, с которой может связаться.

Для синтеза белка требуется посредник, одна часть которого взаимодействует с матрицей по механизму нуклеотидного соответствия, а другая присоединяет белковые звенья. Таким образом, принцип комплементарности нуклеотидов работает и в этом случае, хоть и не связывает напрямую звенья матричной и синтезируемой цепей.

Этапы синтеза

Все процессы матричного синтеза поделены на три этапа:

Инициация представляет собой подготовку к синтезу, характер которой зависит от вида процесса. Главной целью этой стадии является приведение системы фермент-субстрат в рабочее состояние.

Во время элонгации непосредственно осуществляется наращивание синтезируемой цепи, при котором между подобранными согласно матричной последовательности звеньями замыкается ковалентная связь (пептидная или фосфодиэфирная). Терминация приводит к остановке синтеза и освобождению продукта.

Роль комплементарности в механизме матричного синтеза

Как уже было отмечено выше, белковый синтез происходит с участием посредника. Эту роль выполняет транспортная РНК, которая имеет участок для присоединения аминокислоты и нуклеотидный триплет (антикодон), предназначенный для связывания с матричной РНК.

В этом случае комплементарный подбор происходит не по одному, а по три нуклеотида. Так как каждая аминокислота специфична только к одному виду тРНК, а антикодон соответствует конкретному триплету в РНК, синтезируется белок с определенной последовательностью звеньев, которая заложена в геноме.

Как происходит репликация

Матричный синтез ДНК происходит с участием множества ферментов и вспомогательных белков. Ключевыми компонентами являются:

Хеликаза, праймаза и SSB-белки подготавливают почву для синтеза. В результате каждая из цепей исходной молекулы становится матрицей. Синтез осуществляется с огромной скоростью (от 50 нуклеотидов в секунду).

Y-образная структура, образованная в месте расплетания ДНК, называется репликационной вилкой.

Механизм транскрипции

Ключевым ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Последняя бывает нескольких видов и отличается по строению у прокариот и эукариот. Однако механизм ее действия везде одинаков и заключается в наращивании цепи комплементарно подбираемых рибонуклеотидов с замыканием фосфодиэфирной связи между ними.

Матричной молекулой для этого процесса служит ДНК. На ее основе могут создаваться разные типы РНК, а не только информационные, которые используются в белковом синтезе.

Участок матрицы, с которого «списывается» последовательность РНК, называется транскриптоном. В его составе имеется промотор (место для присоединения РНК-полимеразы) и терминатор, на котором синтез останавливается.

Трансляция

Началу трансляции предшествует активация аминокислот, т. е. присоединение их к соответствующим транспортным РНК с образованием макроэргической связи, за счет энергии которых впоследствии осуществляются реакции транспептидирования (присоединения к цепи очередного звена).

В процессе синтеза также принимают участие белковые факторы и ГТФ. Энергия последнего необходима для продвижения рибосомы по матричной цепи РНК.

Источник

Реакции матричного синтеза. Биосинтез белка

Тема: Реакции матричного синтеза. Биосинтез белка

Стадии матричного синтеза.

Вопрос № 1: Стадии матричного синтеза

Биосинтез , осуществляемый в процессе обмена веществ, всегда идет с потреблением энергии. Биосинтез, например, простых углеводов у зеленых растений происходит за счет энергии света. Биосинтез белков идет с потреблением энергии химических связей в органических веществах.

Процесс воспроизведения генетической информации состоит из трех этапов, так называемых реакций матричного синтеза:

1) репликация — удвоение молекулы ДНК;

2) транскрипция — синтез м-РНК;

3) трансляция — синтез белка на основе информации в м-РНК.

Вопрос № 2: Стадия репликации

РЕПЛИКАЦИЯ — воспроизведение, удвоение ДНК.

Этот процесс идет в ядре клетки следующим образом.

1.) Двойная анти­параллельная спираль молекулы ДНК раскручивается, составляю­щие ее цепи расходятся, разделяясь в местах соединения азотистых оснований.

2.) На каждой из цепей из отдельных нуклеотидов строится новая дочерняя молекула ДНК по принципу комплементарности: 1-я цепь синтезируется непрерывно в одном направлении, 2-я — в противоположном — фрагментами, которые затем «сшива­ются» в непрерывную цепь.

Репликация молекулы ДНК

В процессе репликации используются специальные ферменты — ДНК-полимеразы и некоторые другие, энергия АТФ, ионы магния.

Способ репликации ДНК, предложенный Д. Уотсоном и Ф. Кри­ком, назван полуконсервативным, так как при репликации каждая новая (дочерняя) двойная спираль ДНК сохраняет одну цепь исход­ной двойной цепи ДНК (родительской), а вторая цепь синтезируется вновь.

Для того чтобы синтезировался белок, информация о после­довательности аминокислот в его первичной структуре, записан­ная в ДНК, должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа — транскрипцию и трансляцию.

Вопрос № 3: Стадия транскрипция

ТРАНСКРИПЦИЯ — процесс переписывания генетической информации с ДНК на м-РНК.

Транскрипция генетичес­кой информации происходит в ядре путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последователь­ность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы— полинуклеотидной цепи ДНК. Происхо­дит раздвоение молекулы ДНК.

Существуют специальные меха­низмы «узнавания» начальной точки синтеза (точки инициации), выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизм завершения процесса. Последовательность азотистых оснований ДНК переводится в комплементарную последователь­ность РНК.

Схема транскрипции молекулы ДНК

Только одна из цепей ДНК служит матрицей для син­теза молекул РНК.

Таким образом синтезируются молекулы м-РНК, т-РНК и р-РНК. В процессе транскрипции используются специаль­ные ферменты— РНК-полимеразы и некоторые другие, энергия АТФ, ионы магния.

Образовавшиеся функционально неактивные предшественники РНК подвергаются процессингу (созреванию): происходит вырезание нитронов (т.е. некодирующих частей генов в эукариотических клетках), отщепление и модификация концевых участков молекул РНК. Так образуется зрелая м-РНК, т.е. генети­ческая информация из последовательности нуклеотидов ДНК пе­реводится в последовательность нуклеотидов м-РНК.

В ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов записан генетический код о последовательности аминокислот в бел­ке. Сущность генетического кода заключается в том, что каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует участок цепи ДНК из трех последовательно расположенных нуклеотидов — три­плет или кодон (например, АУГ — Мет, ГГГ — Гли, ГЦЦ — Ала). Код включает все возможные сочетания трех (из четырех типов) азотистых оснований. Из четырех типов нуклеотидов, взя­тых по 3, образуется 43 = 64 сочетания триплетов, достаточных для кодирования 20 типов аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами (кодонами). Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Существуют ини­циирующие и терминирующие триплеты, определяющие начало и конец биосинтеза белка, служащие «знаками препинания» и разде­ляющие участки, несущие информацию о разных белках. Участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одного поли­пептида (белка), называют геном.

Свойства генетического кода:

1) Код триплетен. Одна аминокислота кодируется тремя ря­дом расположенными нуклеотидами (триплетом).

2) Код неперекрывающийся. Кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний.

3) Код непрерывный, без знаков препинания. В пределах од­ного гена считывание генетической информации происходит в од­ном направлении всегда целиком.

4) Код вырожден. Для кодирования большинства аминокис­лот существует более 1 кодона, т.е. одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (2-6).

5) Код специфичен. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

6) Код универсален. Код для всех организмов на Земле един.

Вопрос № 4: Стадия трансляции

ТРАНСЛЯЦИЯ — биосинтез белка, перевод последователь­ности нуклеотидов м-РНК в аминокислотную последовательность белка.

У прокариот (бактерий и цианей), не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с синтезированной молекулой м-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза.

У эукариот м-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуще­ствляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК.

Для процесса трансляции необходимы следую­щие компоненты:

3) т-РНК, приносящая соответствующие аминокислоты;

5) специаль­ные ферменты (аминоацил-синтетазы) и белковые факторы;

Биосинтез белка включает 3 стадии:

1. Инициация — образование инициирующего комплекса в ре­зультате соединения м-РНК с рибосомой и т-РНК.

а) м-РНК перемещается из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомой. В цитоплазме на один из концов м-РНК (а именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибо­сома и начинает синтез полипептида;

Источник