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:
- репликацию – удвоение генетического материала;
- транскрипцию – синтез рибонуклеиновых кислот;
- трансляцию – производство белковых молекул.
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 (начало);
- элонгация;
- терминация (окончание).
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
Принцип комплементарности основан на выборочном соответствии азотистых оснований нуклеотидов друг другу. Так, аденину в качестве пары подойдут только тимин или урацил (двойная связь), а гуанину – цитозин (3 тройная связь).
В процессе синтеза нуклеиновых кислот со звеньями одноцепочечной матрицы связываются комплементарные нуклеотиды, выстраиваясь в определенную последовательность. Таким образом, на основании участка ДНК ААЦГТТ при репликации может получиться только ТТГЦАА, а при транскрипции – УУГЦАА.
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:
- ДНК-хеликаза – расплетает двойную спираль, разрушает связи между цепями молекулы;
- ДНК-лигаза – “зашивает” разрывы между фрагментами Оказаки;
- праймаза – синтезирует затравку, необходимую для работы ДНК-синтезирующего фрагмента;
- SSB-белки – стабилизируют одноцепочечные фрагменты расплетенной ДНК;
- ДНК-полимеразы – синтезируют дочернюю матричную цепь.
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).
Работа ДНК-полимеразы происходит в направлении от 5`к 3`- концу. Из-за этого на одной из цепей (лидирующей) синтез происходит по ходу расплетания и непрерывно, а на другой (отстающей) – в обратном направлении и отдельными фрагментами, названными “Оказаки”.
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
Матричный синтез белка и у прокариот, и у эукариот осуществляется в специализированных органоидах – рибосомах. Последние состоят из двух субъединиц, одна из которых (малая) служит для связывания тРНК и матричной РНК, а другая (большая) принимает участие в образовании пептидных связей.
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.
