Матричные биосинтезы.

Последовательность аминокислот в пептидных цепях зашифрована в молекуле ДНК с помощью генетического кода.

Генетический код – это система записи информации с ДНК на и-РНК о белке.

Особенность генетического кода:

1. Триплетность (каждой аминокислоте соответствуют 3 нуклеотида).

2. Неперекрываемость (каждой из триплетов генетического кода независим друг от друга).

3. Выраженность или избыточность (большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами).

4. Специфичность (каждый триплет кодирует определенную аминокислоту).

5. Универсальность (все свойства генетического кода характерны для всех живых организмов).

6. Коллинеарность (соответствие линейной последовательности кодонов и-РНК и аминокислот в белке).

Процесс самовоспроизведения (самокопирование) наследственного материала обеспечивается благодаря химической организации ДНК.

Репликация ДНК (биосинтез ДНК) – это процесс копирования информации с молекулы родительской ДНК дочерней ДНК, т.е. процесс удвоения нитей ДНК.

Различают 3 теоретических механизма репликации ДНК:

Для организма человека характерен полуконсервативный механизм репликации ДНК.

• Полуконсервативный механизм – это механизм, в ходе которого синтезируются две молекулы, у каждой из которых одна цепь старая и одна новая.

+

• К онсервативный – после удвоения одна молекула оказывается состоящей из двух старых цепей, а другая – из 2^х новых (возможен у бактерий в эксперименте).

+

• Дисперсный – когда каждая из двух вновь образованных молекул содержит в обеих цепях как новые, так и старые участки (возможен у бактерий).

+

Репликация происходит в S-фазу клеточного цикла. Локализация репликации в клетке: ядро, цитоплазма, митохондрии, а у растений и в пластидах.

Биологическое значение репликации: воспроизведение генотипа в новых поколениях. Субстраты и источники энергии: дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ), для активации которых необходимы ионы Mg²⁺ . Нейтрализуя отрицательный заряд нуклеотидов, они повышают их реакционную способность.

Выделяют 4 этапа репликации:

1. Инициация (т.е. образование репликативной вилки).

2. Элонгация (удлинение новых цепей).

3. Исключение праймеров

4. Терминация (завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК).

1. Инициация: В процессе принимают участие 2 фермента:

а) ДНК-топоизомераза (ДНК-гираза)

б) ДНК-хеликаза.

ДНК-топоизомераза разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5'-концу в точке разрыва, что дает возможность разорванной цепи вращаться только вокруг второй цепи, что ослабляет накопившиеся напряжение в двойной спирали ДНК.

Хеликаза проникает через место разрыва во внутрь спирали. Она осуществляет разрыв водородных связей. На разрыв водородных связей каждой пары азотистых оснований тратится энергия 2 АТФ. В результате происходит раскручивание участка спиральной молекулы ДНК. Образующиеся одноцепочечные участки ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками (SSB-белки), растягивающими цепи и делая доступными азотистые основания для связывания их с комплементарными нуклеотидами. Область расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называются репликационными вилками. Образование репликационной вилки начинается с репликационного глаза.

Репликационный глаз – участок, где две цепи материнской ДНК начинают отделятся друг от друга. Область репликационного глаза называют точкой начала репликации.

По окончании формирования репликативной вилки фермент ДНК-топоизомераза ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК.

хеликаза

Инициация синтеза ДНК происходит в нескольких участках хромосомы или оринджинах (от слова – происхождение). Последовательность ДНК, ограниченную двумя оринджинами репликации, называют единицей репликации, или репликоном. Оринджины репликации имеют определенную нуклеотидную последовательность. На оринджинах при участии ДНК-топоизомеразы образуется две репликативной вилки, перемещающиеся в противоположных направлениях.

Лидирующая цепь

Ориджин репликации

3 ' ДНК 5'

5'

отстающая цепь

репликон

В каждой репликативной вилке идет одновременно синтез двух новых (дочерних) цепей. Одна из них называется «лидирующей» другая «отстающей». Лидирующая цепь – это нить ДНК, направление синтеза которой совпадает с направлением движения репликативной вилки. Синтез лидирующей цепи идет непрерывно. Отстающая цепь – нить ДНК, направление синтеза которой не совпадает с направлением движения репликативной вилки. Поэтому отстающая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами, которые называют «фрагменты Оказаки».

2. Элонгация – процесс удлинения новых нитей ДНК. В процессе принимает участие ферменты:

а) ДНК зависимая РНК-полимераза (она же праймаза).

б) ДНК зависимая ДНК-полимеразы (I и III).

в) ДНК-лигаза.

ДНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует РНК-затравку (или РНК-праймер), длиной 10-20 нуклеотидов. Синтез идет в направлении 5'-3', после чего фрагмент удаляется.

ДНК-зависимая ДНК-полимераза III присоединяет дезоксирибонуклеотид к РНК-затравке, т.к. способна катализировать процесс добавления нуклеотидов только к 3' ОН концу полинуклеотидной цепи. Идет синтез дочерней ДНК. В результате процесса образуется гибридная нить РНК-ДНК («лидирующая» цепь). По мере удлинения новой гибридной цепи РНК-ДНК. РНК-затравка удаляется при помощи ДНК-полимеразы I (или РНК-азы), а на месте бывшей РНК ДНК-зависимой ДНК-полимеразой III наращивается цепь ДНК. Так идет удлинение «лидирующей цепи». При наращивании отстающей цепи вначале синтезируются цепь РНК-затравки в нескольких местах, длиной около 10 нуклеотидов. К свободному 3' ОН концу этой цепи присоединяется 100-200 дезоксирибонуклеотидов цепи ДНК под действием ДНК зависимой ДНК-полимеразы III.

3. Исключение праймеров (РНК-затравки). Каждый фрагмент Оказаки (≈100 нуклеотидных остатков) содержит РНК-затравку (праймер). Праймеры (РНК-затравку) удаляет ДНК зависимая ДНК-полимераза I (или РНК-аза), постепенно отщепляя с 5'-конца фрагмента по одному рибонуклеотиду.

4. Терминация – завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК Фермент ДНК зависимая ДНК-полимераза III присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и, таким образом, заполняется брешь, возникшая при удалении рибонуклеотидов (к ОН группе на 3'-конце предыдущего фрагмента дочерней ДНК).

Фермент ДНК-лигаза соединяет фрагмент дочерней нити ДНК (фрагменты Оказаки) друг с другом. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. (Происходит образование фосфодиэфирной связи между 3' ОН группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-фосфатом следующего фрагмента). Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК.