Підручник з Біології. 9 клас. Межжерін - Нова програма

§ 21. Матричний синтез: реплікація, транскрипція, трансляція

Терміни й поняття: матричний синтез, реплікація, транскрипція, процесинг, екзон, інтрон, сплайсинг, трансляція, антикодон.

Матричний синтез. Важливою особливістю хімічних процесів, що відбуваються в живих системах, є реакції матричного синтезу. Що це за реакції? У техніці й поліграфії термін матриця (від лат. матрікс — початок, джерело) означає зразок, модель, штамп, шаблон, форму, інструмент, що використовують для серійного виробництва однакових предметів, наприклад монет. Так само внаслідок реакцій матричного синтезу з одних біологічних молекул, які слугують матрицею, «відливається» безліч однакових молекул-копій.

Слід зазначити, що реакції синтезу в неживій природі — взагалі щось рідкісне й надзвичайне, а такий складний процес, як матричний синтез, що обов'язково повинен каталізуватись спеціальними ферментами, за межами клітини просто неможливий. Саме тому чимало вчених вважає, що важлива відмінність живого від неживого — це не просто наявність обміну речовин, а саме реакції матричного синтезу.

Завдяки реакціям матричного синтезу в клітині відбувається синтез усіх біополімерів, за винятком полісахаридів, ланцюги яких, як ви, напевно, пам'ятаєте, на відміну від інших, утворюються з однакових мономерів.

Синтез ДНК. Процес синтезу ДНК розпочинається перед поділом клітини й зумовлений необхідністю утворення нового полінуклеотидного ланцюга, який синтезується в повній відповідності до «матриці» старого ланцюга, тобто за принципом комплементарності: навпроти нуклеотиду А старого ланцюга розміщується нуклеотид Т нового (або навпаки), а навпроти Ц — відповідно Г (або також навпаки). Саме тому синтез ДНК називають реплікацією (від. лат. реплікаціо — відбиття (іл. 21.1).

Іл. 21.1. Схема реплікації ДНК

Відбувається він у такій послідовності. Спочатку під дією спеціальних ферментів подвійна спіраль розкручується й утворюється реплікативна вилка. Майже відразу завдяки ферменту ДНК-полімеразі починається ферментативне складання нових полінуклеотидних ланцюгів. Причому на різних ланцюгах ДНК синтез відбувається неоднаково. На першому ланцюзі синтез полінуклеотидів триває безперервно — від початку розкрученої ділянки до кінця. На другому ланцюзі синтез відбувається з деяким запізненням і спрямований у протилежний бік: спочатку збираються невеликі блоки, що згодом «зшиваються» в єдиний ланцюг.

Особливостями матричного синтезу є точність копіювання та висока швидкість перебігу реакцій. Надійність копіювання — це надзвичайно важлива властивість процесу реплікації.

Біосинтез білка. Цей процес доволі непростий та складається з трьох головних етапів.

Перший етап — транскрипція (від лат. транскріпціо — переписую), або синтез РНК за матрицею ДНК (іл. 21.2).

Молекули ДНК не беруть безпосередньої участі в синтезі білка, цим процесом займаються «посередники» — молекули РНК. При цьому транспортні (тРНК) і рибосомальні (рРНК) виконують допоміжні, технічні функції, а ключову роль відведено інформаційній (іРНК). Усі без винятку молекули РНК синтезуються за матрицями, якими слугують певні ділянки ДНК. При цьому тРНК синтезуються на багатьох ділянках, розкиданих по різних хромосомах, а рРНК — у спеціальних утвореннях — ядерцях, що також розміщуються на різних хромосомах. Число ядерець в одній клітині завжди кратне двом і може змінюватись у межах від 2 до 10, що залежить не лише від виду організму, а й від його стану. У період інтенсивного росту число ядерець зростає.

Іл. 21.2. Схема транскрипції (стрілочкою показано напрям матричного синтезу)

Початком синтезу білка є зчитування інформації з молекули ДНК, яке здійснюється лише з одного ланцюга, який вважають відомим, а інший слугує лише стабілізатором структури ДНК. Причому в різних генів, розташованих на одній молекулі ДНК, зчитування відбувається з того чи іншого ланцюга. Цей процес починається лише з певних триплетів ДНК — ТАЦ і ЦАТ, які відповідно кодують амінокислоти ізолейцин та валін. Подібно до того, як по одній нитці ДНК відбувається синтез другої нитки ДНК, так і по розплетеній нитці ДНК здійснюється синтез молекули іРНК. Реакція прискорюється ферментом РНК-полімеразою, а тому протікає дуже швидко та з високою точністю.

Завдяки комплементарним зв'язкам нуклеотидів проти нуклеотиду ДНК стає відповідний нуклеотид РНК. Тому проти ГДНК. стає ЦРНК; проти ЦДНК. — ГРНК; проти ТДНК — АРНК і проти АДНК — УРНК. Далі ці нуклеотиди «зшиваються» РНК-полімеразою в один полінуклеотидний ланцюг іРНК. Він, з одного боку, повністю комплементарний ділянці ДНК, з якої він зчитувався, а з іншого — є майже точною копією другої ділянки ДНК. Процес синтезу іРНК зупиняється на певних кодонах ДНК (АЦТ, ATT, АТЦ), які отримали назву стоп-кодонів і які не кодують амінокислот.

Другий етап — процесинг (від англ. process — хід, рух). Так називають «визрівання» матриці іРНК, яке безпосередньо передує синтезу поліпептидних ланцюгів (іл. 21.3). Що таке визрівання іРНК і для чого воно потрібне? Слід зазначити, що гени еукаріотних організмів мають переривчасту будову й відрізки гена, які кодують амінокислотні послідовності — екзоті (від грец. екзо — зовні), — чергуються з ділянками ДНК, які не несуть генетичної інформації, — інтронами (від лат. inter — поміж). Тому на другому етапі синтезу білка відбувається «редагування» послідовності: спочатку на перший стадії з неї вирізаються інтрони, а екзони на другій стадії за допомогою спеціальної ферментної системи «зшиваються» в одну більш коротку нитку іРНК.

Іл. 21.3. Процесинг: І стадія — незріла іРНК; II стадія — зріла іРНК

Третій етап — трансляція, або синтез білка за матрицею іРНК. Процес синтезу поліпептидного ланцюга являє собою переписування інформації з «мови» нуклеїнових кислот на «мову» білків і тому має назву трансляція (від лат. трансляцій — перенесення). Відбувається цей процес у такий спосіб. Ядерна іРНК за допомогою спеціальних білків крізь пори в ядерній оболонці виходить у цитоплазму клітини. Далі по каналах шорсткої ендоплазматичної сітки вона транспортується на те місце клітини, яке потребує білок, амінокислотний склад якого вона кодує.

На один кінець молекули іРНК нанизується рибосома і синтез поліпептидного ланцюга відбувається «крок за кроком»: рибосома пересувається наче «кроками» з триплету на триплет (іл. 21.4). На кожному «кроці» відбувається приєднання до ланцюга однієї амінокислоти. Швидкість синтезу ланцюга висока, зв’язування однієї амінокислоти триває близько 0,5 с та відбувається за участі спеціальних ферментів. Процес з’єднування амінокислот у єдиний ланцюг триває до стоп-кодона, а це означає, що синтез закінчено. Після цього рибосома сходить з ланцюга іРНК, від неї відділяється поліпептидний ланцюг, який спочатку закручується у спіраль, а потім набуває третинної структури. На одній молекулі іРНК одночасно може розміщуватись до 5 рибосом. Така структура отримала назву полісома (від грец. полі — багато, сома — тіло). Один і той же ланцюг іРНК може використовуватись багаторазово (іл. 21.5).

Якщо синтези ДНК та РНК відбуваються за матрицею ДНК і нуклеотиди самі знаходять собі місце в ланцюзі, то амінокислоти не комплементарні відповідним трьом нуклеотидам. Функцію добору та транспорту амінокислот здійснюють тРНК. На передній частині цієї молекули міститься триплет. Він комплементарний триплету іРНК і є розпізнавальним знаком цього типу тРНК. Однак послідовність триплету тРНК — обернена кодону іРНК, а тому його називають антикодоном (іл. 7.5, 20.4). Отже, кожна амінокислота має одну або кілька тРНК, які зв’язуються зі специфічною для них амінокислотою, просувають її до рибосоми, а потім шляхом взаємодії антикодону з кодоном визначають порядок розташування амінокислоти у поліпептидному ланцюзі.

Іл. 21.4. Схема біосинтезу білка.

1. Молекула іРНК зв’язується з малою субодиницею рибосоми. Ініціатор-тРНК зв'язується зі старт-кодоном на іРНК.

2. Велика субодиниця прикріплюється до малої субодиниці, створюючи функціональну рибосому.

3. Антикодон іншої тРНК з амінокислотою прикріплюється до додаткового кодону іРНК поруч з ініціатор-тРНК.

4. Між амінокислотами утворюється пептидний зв’язок, який переноситься ініціатор-тРНК і тРНК, що поруч з нею.

5. Після утворення пептидного зв’язку тРНК від’єднується від рибосоми, а рибосома просуває ланцюг іРНК на один кодон. Оскільки тРНК несе новосформовані фрагменти білкової молекули, інша тРНК з амінокислотою зв'язується з новим кодоном. Під час подовження білкової молекули кроки 3-5 повторюються знову і знову.

6. Синтез білка закінчується, коли рибосома досягає стоп-кодону. Сформована молекула білка від'єднується від кінцевої тРНК тРНК вивільняє рибосому й вона розпадається на велику та малу субодиниці.

Іл. 21.5. Полісома

Дія генів — це визначення складу і структури білків, що синтезуються в клітини, а також чітко визначені впливи, що регулють синтез РНК і білків. Причому реалізація генетичної інформації відбувається на двох рівнях: від ДНК до РНК і від РНК до білків. Невипадково принцип «один ген — один поліпетидний ланцюг» є одним з найважливіших принципів генетики й сучасної біології.

Особливості матричного синтезу в прокаріотів. Процеси синтезу РНК і білків у бактерій значно простіші, адже синтез РНК відбувається безпосередньо в цитоплазмі. Крім того, їх гени не мають інтронів, а тому процес визрівання у них не відбувається — їх іРНК одразу ж готова до трансляції. Крім того, якщо в клітинах еукаріотів майже 95 % ДНК не мають безпосереднього відношення до генетичної інформації, то у бактерій усе навпаки: практично вся ДНК — це і є структурні гени, а це означає, що шлях від ДНК до білків у бактерій значно коротший, ніж в еукаріотів.

За допомогою матричного синтезу відбувається синтез ДНК (реплікація), РНК (транскрипція), білків (трансляція). За своєю суттю — це процес реалізації генетичної інформації, що відбувається на двох рівнях і є переходом від молекул ДНК до РНК і від РНК до білків. В еукаріотів реалізація генетичної інформації відбувається у три етапи: транскрипція, процесинг і трансляція.

1. Чому матричний синтез вважають однією з найважливіших ознак живого? 2. На яких рівнях відбувається реалізація генетичної інформації? 3. Чому РНК, яка синтезується на матриці ДНК, називають інформаційною? 4. Чому процес синтезу білка позначили терміном, що походить від латинського слова «трансляціо»? 5. У чому полягають функції транспортної РНК?

• Транскрипція відбувається лише з одного ланцюга ДНК. Чому?