9

ЛЕКЦІЯ № 6

ТЕМА: МАТРИЧНИЙ СИНТЕЗ БІОПОЛІМЕРІВ.

ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ЗБЕРЕЖЕННЯ І ВІДТВОРЕННЯ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ

План

1. Матричний синтез біополімерів клітини. Види матричного синтезу та їх характеристика.

2. Загальні закономірності реплікації.

3. Реплікація у клітинах прокаріот.

4. Реплікація бактеріальних плазмід (самостійно).

5. Реплікація ДНК у клітинах еукаріот.

6. Постреплікативна модифікація ДНК (самостійно).

1. Матричний синтез біополімерів клітини, види.

Матричний синтез – це синтез біополімерів клітини на інформативній матриці, яка несе генетично запрограмовану інформацію про їх первинну структуру та біологічні функції.

За матричним механізмом синтезуються білки та нуклеїнові кислоти.

Залежно від виду матриці, способу її використання, а також шляхів, напрямків і механізмів передачі генетичної інформації розрізняють кілька видів матричного синтезу:

• Реплікація (від англ. replication – копіювання, самоподвоєння) – передача інформації між одним видом нуклеїнових кислот:

• ДНК → ДНК або ДНК-залежний синтез ДНК;

• РНК → РНК або РНК-залежний синтез РНК (у РНК-вмісних вірусів).

• Транскрипція (від англ. transcriptio – переписування) – передача генетичної інформації між різними видами нуклеїнових кислот:

• ДНК РНК або ДНК-залежний синтез РНК – пряма транскрипція.

• РНК  ДНК або РНК-залежний синтез ДНК – зворотна транскрипція.

При транскрипції інформація, закодована на структурі нуклеїнових кислот, за принципом комплементарності переписується (транскрибується) з утворенням різних видів РНК (іРНК, тРНК, рРНК).

Роль матриці при прямій транскрипції виконує один з ланцюгів ДНК – матричний або плюс-ланцюг (+), (3^/ ® 5^/), комплементарний до нього кодуючий або мінус-ланцюг (-), відповідно, (5^/ ® 3^/).

При зворотній транскрипції роль матриці виконують молекули вірусних РНК. Транскрипція, на відміну від реплікації, проходить за консервативним механізмом – у транскрибованих молекулах відсутні елементи матриці.

• Трансляція (від лат. translatus – передавати, переносити) – передача інформації між різними видами біополімерів: іРНК ® білок.

У цьому виді матричного синтезу роль матриці виконує іРНК, транскрибована на одному з ланцюгів ДНК (матричному). Матриця переводиться (транслюється) за принципом комплементарності. Трансляція відбувається в цитоплазмі на рибосомному апараті клітини, де проходить переведення генетичної інформації, закодованої на матричному ланцюгу ДНК, у чергування амінокислотних залишків на структурі білкових молекул. Безпосереднім „перекладачем” (адаптором) генетичної інформації є різні види тРНК, за участю яких відбувається активація та транспорт до рибосом протеїногенних амінокислот з утворення пептидних зв’язків.

Потік генетичної інформації, який реалізується внаслідок поєднання всіх трьох видів матричного синтезу, має такий напрямок:

Д/з замалювати схему (Боєчко МБ. С. 257)

Схема передачі та реалізації генетичної інформації має такий вигляд:

кДНК: змістовий, мінус-ланцюг, правий, другий, 5^/ ® 3^/, ф ® он

мДНК: плюс-ланцюг, лівий, перший, 3^/ ® 5^/, но ® ф

іРНК (кодон) 5^/ ® 3^/

білок тРНК (антикодон)

2. Загальні закономірності реплікації

Реплікація тісно пов’язана з поділом клітин (клітинним циклом). В еукаріотичних клітинах реплікація передує їх поділу і відбувається в S-фазі клітинного циклу, коли проходить дезінтеграція гетерохроматину, втрата ним конденсованої суперспіралізованої структури і формування активного розрихленого еухроматину. У прокаріот цей процес триває протягом всієї інтерфази.

Розрізняють кілька видів реплікації:

• вегетативну (під час поділу клітини);

• репаративну (при репарації ушкоджень);

• кон’югативну (при розмноженні бактеріальних клітин).

Суть реплікації у специфічному копіюванні структури та подвоєнні ланцюгів з утворенням комплементарних копій, що забезпечує збереження видоспецифічної генетичної інформації та можливість її передачі наступним поколінням.

Матрицею є обидва взаємнокомплементарні ланцюги ДНК або ланцюг РНК.

Одноланцюгова матриця копіюється, або самоподвоюється, за принципом комплементарності і виконує роль своєрідного „штампу” для відтворення власної первинної структури. Наслідком реплікації є утворення нового покоління молекул, які є точною копією вихідної матричної молекули.

Реплікація здійснюється у напрямі 3^/5^/.

Для вегетативної реплікації ДНК характерний напівконсервативний механізм, суть якого в тому, що кожне наступне покоління дочірніх молекул, яке отримало інформацію від вихідної (батьківської) молекули ДНК, містить у своєму складі елементи матриці. Тобто, в кожному наступному поколінні молекул один із ланцюгів (батьківський) отриманий від вихідної молекули ДНК, а другий (дочірній) є його комплементарною копією. Перевагою цього механізму є те, що ймовірність помилок при передачі генетичної інформації наступним поколінням нівелюється, оскільки копіювання є в достатній мірі точним процесом.

Ділянка ДНК, яка повністю самовідтворюється у процесі реплікації має назву реплікону. У клітинах прокаріот реплікон є аналогом хромосоми і являє собою монорепліконну систему, а в еукаріотичних клітинах кожна хромосома є полірепліконною системою.

Для перебігу реплікації необхідна наявність:

• матриці – два взаємнокомплементарні ланцюги ДНК, при розходженні яких утворюється дві одноланцюгові матриці.

• 4 видів рибо- і дезоксирибонуклеозид-5^/-трифосфатів (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ та дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дУТФ) ;

• затравного ланцюга РНК-кової структури – праймера (затравки), що зумовлено особливістю функціонування ферменту ДНК-залежної ДНК-полімерази ІІІ;

• білкових факторів, які забезпечують початок реплікації, формування дочірніх ланцюгів ДНК, завершення реплікації та постреплікативну модифікацію і репаративні процеси;

• комплексу ферментів, необхідних для перебігу реплікації: ініціації, елонгації, термінації;

• головним ферментом реплікації є ДНК-залежна ДНК-полімераза;

• йонів Zn²⁺, Мg²⁺, Мn²⁺, які виконують роль кофакторів ряду ферментів, забезпечують іонізацію азотистих основ нуклеотидів та утворюють реакційно здатні хелатні комплекси.

Білкові фактори необхідні для:

• пізнавання сайту початку реплікації (точки ori) відповідними ферментами та зв’язування їх із ДНК;

• утворення реплікативної вилки з вивільненням одноланцюгових матриць;

• стабілізації утвореної структури;

• синтезу затравних ланцюгів на структурі матриці;

• перебігу полімеразної реакції;

• транслокації праймосоми в межах реплікону;

• енергозабезпечення процесу реплікації;

• завершення реплікації;

• поновлення структури матриці.

Вказані процеси забезпечують специфічні ДНК-розкручуючі, ДНК-зв’язуючі та ДНК-дестабілізуючі білки (топоізомерази, свівелази, хелікази, гірази), білки активатори праймази, β-білок, n^/-білок та інші.

Значна кількість білкових факторів задіяна також у завершенні реплікації та наступному поновленні спіралізованої структури ДНК.

Ферментні системи забезпечують:

• початок реплікації (ініціацію);

• синтез праймера на ведучому і запізнюючому ланцюгах;

• перебіг полімеразної реакції – синтез ведучого ланцюга та фрагментів Оказакі на запізнюючому;

• вирізання РНК-ових фрагментів і забудову утворених прогалин;

• формування нативних дочірніх ланцюгів, комплементарних до матриці, завершення реплікації та репарацію можливих помилок реплікації.

Характерною особливістю ферментів реплікації є те, що вони мають олігомерну структуру і володіють кількома видами ферментативної активності.

Білкові фактори і ферменти реплікації входять до складу реплікативного комплексу, який має назву реплісоми, та забезпечує перебіг процесу реплікації на ведучому та запізнюючому ланцюгах.

Склад реплікативних комплексів та їх функції у клітинах про- і еукаріот подібні, хоч існують певні особливості, зумовлені організацією їх генетичних структур.