субстраты для синтеза и энергия

Для образования связи между нуклеотидами необходима энергия. Она поставляется в реакцию каждым приходящим нуклеотидом, т. к. используются нуклеозидтрифосфаты, имеющие макроэргические связи.
При этом от молекулы нуклеотида отщепляется два остатка фосфорной кислоты, а третий присоединяется к 3-му положению предыдущего нуклеотида (см. рис.). Синтез новой цепи начинается с 5’ конца, новые нуклеотиды присоединяются к 3’-концевому нуклеотиду. При этом комплекс белков, синтезирующий ДНК, двигается вдоль матричной нити, постепенно расплетая новые участки двойной спирали. Так продолжается до полного завершения синтеза всей молекулы ДНК. Этот процесс называется репликацией ДНК.

Синтез ДНК не является стопроцентно точным. С вероятностью порядка в ходе синтеза происходят ошибки, в результате чего вставляется неправильный (некомплементарный) нуклеотид. В результате возникает предмутационное состояние — некомплементарная пара нуклеотидов в полученной молекуле ДНК. В клетке существует специальная система исправления ошибок в ДНК — система репарации (от англ. to repair — восстанавливать). Если система репарации исправит ошибку, то ДНК останется точной копией материнской молекулы. Если же исправление ошибки не произойдет до следующего удвоения ДНК, то изменение будет закреплено и унаследовано потомками данной клетки. Так возникают точечные мутации — наследуемые изменения последовательности ДНК, то есть генетической информации.

Синтез ДНК у эукариот происходит в строго определенной фазе клеточного цикла — S-фазе. S-фаза — это часть интерфазы, то есть времени между делениями клетки. Школьники часто совершают ошибку, полагая, что удвоение ДНК происходит в начале деления клетки. Это не так. Репликация ДНК занимает довольно большое время и требует большого количества ресурсов клетки. После ее завершения в клетке идет G2-фаза (подготовка к делению), и только затем возможно начало деления. Если клетка не полностью удвоила свою ДНК, деление не может происходить. Именно в ходе репликации ДНК образуются две копии клеточного генома, которые должны достаться дочерним клеткам, расходясь в процессе деления. В результате репликации однохроматидные хромосомы становятся двуххроматидными. Две сестринские хроматиды, соединенные в области центромеры, содержат по молекуле ДНК. Эти две молекулы ДНК являются точными копиями друг друга, образованными при репликации (за вычетом возможных ошибок репликации, приводящих к возникновению мутаций).

Точки начала синтеза днк

Синтез ДНК начинается на участке ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов, который узнают специальные белки. Этот участок называется origin of replication, или Оri. В кольцевых молекулах ДНК прокариот, как правило, только 1 Оri, а в гораздо более длинных линейных хромосомах эукариот — несколько. В области Ori ДНК расплетается, и образуется так называемый репликационный глазок. По сути, это две репликативные вилки, движущиеся из одной точки в противоположные стороны. По мере синтеза новых цепей «глазок» растет, вилки движутся друг от друга, расплетая все новые и новые участки ДНК. Синтез идет до тех пор, пока движущиеся навстречу репликативные вилки не встретятся. Тогда вся молекула оказывается полностью удвоенной.

Синтез РНК, так же, как и синтез ДНК, осуществляется в соответствии с принципом комплементарности. В отличие от синтеза ДНК, которая реплицируется вся целиком, РНК синтезируется в виде отдельных относительно небольших (от десятков до десятков тысяч нуклеотидов) молекул.

Участок ДНК, с которого синтезируется определенная молекула РНК, называется ген. Синтез РНК называется транскрипцией и осуществляется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (то есть синтезирующей РНК на матрице ДНК), или просто РНК-полимеразой (РНК-зависимые РНК-полимеразы встречаются, например, у некоторых РНК-содержащих вирусов). Этот фермент (сам или с помощью специальных белков) узнает начало гена, точнее, определенную последовательность нуклеотидов в ДНК, называемую промотором.

Присоединившись к промотору, РНК-полимераза расплетает участок ДНК, образуя «транскрипционный пузырь», полностью находящийся внутри молекулы фермента. После этого начинается синтез РНК с определенной точки молекулы ДНК (старт). В процессе синтеза используются нуклеотиды, содержащие рибозу и три фосфатных остатка, а в качестве оснований гуанин, аденин, цитозин и урацил. При этом строится цепь РНК, комплементарная только одной из цепей ДНК, называемой матричной. В строящейся цепи аденин ставится напротив тимина в матричной ДНК, гуанин — против цитозина, цитозин — против гуанина, а урацил — против аденина, т. е. образуются пары Т–А и А–У. Это происходит потому, что участки азотистого основания, участвующие в образовании комплементарных пар, у урацила и тимина одинаковы.

Та цепь ДНК, которая не используется в качестве матрицы, называется смысловой, так как последовательность нуклеотидов в ней совпадает с последовательностью синтезируемой РНК с той только разницей, что тимин в ДНК в РНК заменен на урацил.

Так же, как и при репликации, синтез РНК идет в направлении от 5’-конца к 3’-концу. По мере синтеза РНК-полимераза двигается по молекуле ДНК (в направлении от 3’-конца к 5’-концу по матричной нити), расплетая новый участок ДНК. В отличие от репликации, РНК-полимераза отделяет образуемый ею продукт (РНК) от матрицы, а матрицу снова заплетает в двойную спираль.

Во время всего процесса синтеза внутри молекулы фермента находится примерно постоянный по размеру «транскрипционный пузырь», в котором РНК-продукт связан комплементарными нуклеотидами с ДНК-матрицей, а из фермента выходит постоянно удлиняющаяся молекула РНК.

Так продолжается до тех пор, пока фермент не дойдет до конца гена. Там находится специальная последовательность нуклеотидов, называемая терминатор. На этом месте РНК-полимераза завершает синтез. Продукт - готовая молекула РНК - отделяется от матрицы и фермента. После этого РНК-полимераза также отделяется от ДНК-матрицы и ищет новый промотор.

В результате транскрипции в клетке образуются все виды РНК. Основными из них являются:

1. Матричные, или информационные РНК (сокращенно мРНК, или иРНК), в которых закодирована последовательность аминокислот в белке.
2. Транспортные РНК (сокращенно тРНК), переносящие активированные аминокислоты к месту синтеза белка.
3. Рибосомные РНК (сокращенно рРНК), образующие рибосомы, частицы, в которых происходит биосинтез белка.

Кроме этого, существует более 10 других видов РНК, участвующих в клеточных процессах, которые не рассматриваются в школьном курсе.

созревание (процессинг) рнк

У прокариот РНК сразу после синтеза готова к трансляции (биосинтезу белка). Говорят, что в прокариотических клетках происходит сопряжение транскрипции и трансляции, т. е. рибосомы могут присоединиться к свободному 5'-концу РНК (он освобождается первым, т. к. при синтезе нуклеиновых кислот удлиняется всегда 3'-конец) и начать ее трансляцию еще до завершения транскрипции (см. рис.). РНК - весьма нестабильная молекула и легко подвергается гидролизу; время жизни РНК прокариот обычно не превышает нескольких минут.

У эукариот все происходит иначе. У них имеется ядро, внутри которого нет активных рибосом, синтез белка идет исключительно в цитоплазме. Поэтому для того чтобы принять участие в трансляции, иРНК должна сначала выйти из ядра через одну из ядерных пор. Это занимает некоторое время; возможно, в связи с этим РНК эукариот имеют специальные приспособления для повышения стабильности и живут гораздо дольше (как минимум несколько часов). Эти приспособления - модификации концов, предотвращающие их деградацию (разрушение). На 5'-конце эукариотических иРНК имеется кэп («шапочка»), на 3'-конце - полиА-хвост, то есть длинная цепочка нуклеотидов с аденином (А). Она не транслируется и не кодирует аминокислот, но защищает 3'-конец и сама с течением жизни РНК постепенно разрушается. Когда хвост становится слишком коротким, то специальные ферменты откусывают кэп, и РНК деградирует. Таким образом, длина полиА-хвоста регулирует время жизни РНК. Время жизни иРНК - очень важный параметр. Чем дольше живет иРНК, тем большее количество белка успеет с нее синтезироваться. Поэтому регуляция времени жизни РНК (в частности, при участии белков, которые связываются с полиА-хвостом и стабилизируют его) является одним из уровней регуляции экспрессии гена, то есть интенсивности продукции соответствующего белка. Присоединение кэпа называется кэпированием РНК, а присоединение полиА-хвоста - полиаденилированием.

Помимо защитных модификаций концов иРНК, у эукариот с предшественником иРНК происходит еще один важный процесс. Это вырезание из РНК незначащих участков - интронов. Дело в том, что большинство генов эукариот, в отличие от генов прокариот, содержат некодирующие участки. Они транскрибируются, т. к. находятся внутри гена, но если такая РНК начнет транслироваться, то нормального белка не получится - последовательность интрона бессмысленна, с точки зрения структуры белка это «абракадабра», и, скорее всего, синтез быстро оборвется из-за случайного стоп-кодона внутри интрона. Кодирующие участки РНК, которые перемежаются интронами, носят название экзонов. В процессе сплайсинга интроны из РНК вырезаются, а экзоны сшиваются между собой. В результате получается зрелая иРНК, не содержащая «лишних» участков.

Все эти три процесса - кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг - происходят с иРНК эукариот в ядре и называются вместе созреванием, или процессингом, РНК. После этого осуществляется экспорт иРНК из ядра через одну из ядерных пор. Только правильно процессированная иРНК называется зрелой и может принять участие в трансляции.

После завершения созревания иРНК выходит через ядерные поры в цитоплазму, где связывается с рибосомами и подвергается трансляции. Трансляция - это процесс биосинтеза белка. Информация о последовательности аминокислот в белке записана в генах, то есть в виде нуклеотидной последовательности ДНК, и переносится из ядра к рибосомам в виде иРНК.

 

Домашнее задание

Сделать конспект, зарисовать рис. 1,2

https://www.youtube.com/watch?v=BmAq-EolVCc

https://www.youtube.com/watch?v=SWoVUwG25Jo - записать решение задачи в тетрадь