Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 22. БІОСИНТЕЗ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Пригадайте, як відбуваються мітотичний і мейотичний поділи. Яка будова молекул ДНК та РНК? Як розмножуються мітохондрії та пластиди?

Біосинтез нуклеїнових кислот, незалежно від їхнього типу, базується на принципі комплементарності, коли один полінуклеотидний ланцюг стає матрицею для синтезу іншого. Будівельним матеріалом для синтезу нуклеїнових кислот є нуклеотиди, що містять рибозу (для синтезу РНК) або дезоксирибозу (для синтезу ДНК). До синтезу нуклеїнових кислот залучаються АТФ та інші нуклеотиди, які містять не один, а три ортофосфатні залишки: ГТФ (гуанозинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат), ТТФ (тимідинтрифосфат) та УТФ (уридинтрифосфат). Усі вони утворюються з відповідних нуклеотидів-монофосфатів та АТФ. У процесі синтезу нуклеотид (з одним ортофосфатним залишком) приєднується до полінуклеотидного ланцюга, що синтезується, а два ортофосфатні залишки відщеплюються.

Майже всі організми здатні синтезувати нуклеотиди в результаті послідовних ферментативних реакцій. Попередниками нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот, є амінокислоти та фосфорильована рибоза. Крім того, при розщепленні нуклеїнових кислот значна частина нітрогеновмісних основ не розщеплюється, а використовується знову для синтезу нових нуклеотидів. Спочатку синтезуються нуклеотиди, що містять рибозу. Частина їх перетворюється у відповідних реакціях на нуклеотиди, до складу яких входить дезоксирибоза.

Біосинтез ДНК ґрунтується на здатності молекул ДНК до самоподвоєння (реплікації), унаслідок чого дочірні молекули ДНК стають точною копією материнської (мал. 22.1). У ході реплікації два ланцюги вихідної (материнської) молекули ДНК за участі низки білків і ферментів розплітаються і кожен з них стає матрицею для синтезу нового ланцюга. Для ініціації (запускання) синтезу до розплетеного ланцюга на матриці має бути синтезований короткий комплементарний фрагмент РНК — затравка, або праймер. Він потрібен тому, що фермент, який каталізує реплікацію ДНК (ДНК-полімераза), потребує для приєднання не одноланцюгової ділянки, а дволанцюгової.

Фермент ДНК-полімераза забезпечує послідовне приєднання нуклеотидів до кінця ланцюга, що синтезується, і каталізує реакцію утворення фосфодиетерного зв’язку між кінцевим нуклеотидом та тим, який щойно приєднався. Тип нуклеотиду, що приєднується, визначається матричним ланцюгом: приєднаний нуклеотид має бути комплементарним тому, який розміщений у певній точці матричного ланцюга. Один з ланцюгів синтезується безперервно, а на другому, у міру того як розплітається ДНК, утворюються короткі фрагменти завдовжки 1000—2000 нуклеотидів, що згодом об’єднуються. Отже, у результаті утворюються дві дочірні ідентичні молекули ДНК, кожна з яких є точною копією материнської (мал. 22.1). Процес реплікації напівконсервативний, бо кожна з двох дочірніх молекул ДНК отримує один ланцюг від материнської молекули, а другий ланцюг синтезується на ньому за принципом комплементарності з вільних нуклеотидів.

Мал. 22.1. Реплікація ДНК: стрілками позначено напрямок синтезу дочірніх ланцюгів

Біосинтез РНК. Усі види РНК (мРНК, тРНК, рРНК) синтезуються за принципом комплементарності на молекулах ДНК. Ці реакції забезпечуються відповідними ферментами. Спочатку синтезуються попередники РНК (про-РНК), які згодом перетворюються на функціонально активні молекули.

Біосинтез РНК відбувається під час транскрипції — процесу переписування генетичної інформації з фрагмента одного з ланцюгів молекули ДНК на синтезовану молекулу РНК (мал. 22.2). Ключовим елементом системи транскрипції є фермент РНК-полімераза, який під час транскрипції, подібно до ДНК-полімерази, забезпечує приєднання нуклеотидів молекули РНК, що синтезується, комплементарних нуклеотидам одного з ланцюгів ДНК, який слугує матрицею.

Мал. 22.2. Синтез молекули РНК під час транскрипції

Ділянка ДНК, на якій здійснюється транскрипція, — це ген. Кожен ген містить власне інформативну ділянку послідовності, яка є його основною змістовною частиною, а також регуляторну ділянку, від якої залежить ініціація транскрипції — первинне зв’язування ферменту РНК-полімерази з ДНК.

Процес ініціації транскрипції кожного гена контролюють спеціальні білки — фактори транскрипції. Вони сприяють зв’язуванню РНК-полімерази або, навпаки, блокують його. Це один з механізмів регуляції цих процесів. Після зв’язування РНК-полімераза починає рухатись уздовж подвійної спіралі. При цьому в ділянці взаємодії з ферментом два ланцюги ДНК розплітаються і один з них слугує матрицею, яка визначає порядок приєднання чергового нуклеотиду до кінця ланцюга РНК, що синтезується. Припиняється синтез РНК на спеціальній ділянці ДНК, яка також входить до складу гена і слугує сигналом для припинення (термінації) цього процесу. Другий ланцюг молекули ДНК (кодуючий) у процесі транскрипції залишається неактивним. Його нуклеотидний склад відповідає нуклеотидному складу синтезованої молекули РНК.

Більша частина молекул еукаріотичних мРНК синтезується в клітинному ядрі на ДНК хромосом, звідки ці молекули транспортуються в цитоплазму. Мітохондріальна та хлоропластна мРНК залишаються всередині цих органел.

Отже, у біологічних системах відбувається особливий тип біохімічних реакцій, коли молекула однієї сполуки слугує основою для синтезу молекули іншої. Так, один з ланцюгів материнської молекули ДНК слугує матрицею для синтезу другого — дочірнього або основою для синтезу різних типів молекул РНК. Такі біохімічні процеси дістали назву реакцій матричного синтезу. Ці реакції нагадують промислові методи, коли з однієї форми-матриці можна відлити багато деталей, надрукувати багато купюр або відкарбувати багато монет. Так само і під час реакцій матричного синтезу нові молекули утворюються згідно з планом будови молекули-матриці: мономери молекули, що синтезується, розташовуються в точній відповідності до розташування мономерів у молекулі-матриці.

Запам'ятаємо

Реакції матричного синтезу є основою однієї з головних властивостей біологічних систем — здатності до самовідтворення.

Ключові терміни та поняття

реплікація молекул ДНК, транскрипція, реакції матричного синтезу, праймер.

Перевірте здобуті знання

1. Як синтезуються молекули ДНК? 2 Як синтезуються молекули РНК? 3. Чим відрізняються процеси біосинтезу молекул ДНК і РНК? 4. Яка роль ферментів у процесах біологічного синтезу молекул нуклеїнових кислот? 5. Що таке реакції матричного синтезу? Яке їхнє біологічне значення?

Поміркуйте

Молекули ДНК самоподвоюються лише під час інтерфази. Як ви гадаєте, чому?