Матричный синтез: особенности. Реакции матричного синтеза

Матричный синтез - фундаментальное свойство живых организмов, позволяющее им воспроизводить собственные структуры. Благодаря реакциям матричного синтеза в клетке синтезируются такие важнейшие соединения, как ДНК, РНК и белки. Давайте разберемся в особенностях этих процессов.

Сущность матричного синтеза

Матричный синтез - это синтез молекул, направляемый в соответствии со структурно-химической информацией, заложенной в молекулярной матрице. В роли матрицы выступает молекула, содержащая генетическую информацию, например ДНК или РНК. На матрице с помощью ферментов и субстратов синтезируется комплементарная копия.

Принцип работы матричного синтеза:

• Наличие матрицы - молекулы с закодированной информацией
• Субстраты - строительные блоки для создания новой цепи
• Специальные ферменты - полимеразы, лигазы
• Источник энергии - чаще всего АТФ

Значение матричного синтеза для клетки огромно - это позволяет ей воспроизводить собственные структуры. Благодаря матричному синтезу при делении клетки образуются две дочерние клетки с идентичным набором ДНК, РНК и белков.

К реакциям матричного синтеза в клетке относят:

1. Репликация ДНК
2. Транскрипция - синтез молекул РНК
3. Трансляция - синтез полипептидов на рибосомах

Этапы матричного синтеза

Хотя в клетке протекает несколько разных реакций матричного синтеза, у них есть общие черты. Можно выделить следующие основные этапы:

1. Подготовка. Происходит активация ферментов и "раскручивание" спирали матрицы, чтобы обнажить участок для синтеза.
2. Инициация. К комплементарному участку матрицы присоединяются первые субстраты - нуклеотиды или аминокислоты.
3. Элонгация. Фермент движется вдоль матрицы, последовательно присоединяя остальные субстраты. Растет цепь нуклеиновой кислоты или полипептида.
4. Терминация. Фермент достигает условного стоп-сигнала на матрице, цепь отделяется, и синтез завершается.

С помощью матричного синтеза в клетке образуются основные типы биологических молекул, необходимые для поддержания всех процессов жизнедеятельности. Рассмотрим более детально реакции синтеза ДНК и РНК.

Реакции матричного синтеза ДНК

В процессе репликации происходит точное воспроизведение материнской ДНК. Образуются две дочерние молекулы ДНК, полностью идентичные исходной. Это достигается за счет принципа комплементарности - каждая из цепей ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи.

Особенности репликации ДНК:

• Точное воспроизведение исходной последовательности нуклеотидов
• Образование двух дочерних молекул ДНК из одной материнской
• Полуконсервативность - в каждой дочерней молекуле по одной старой и одной вновь синтезированной цепи

В репликации ДНК участвует большое количество ферментов. Они раскручивают спираль ДНК в месте синтеза, расплетая двойную цепь на комплементарные одноцепочечные участки. Затем с помощью ДНК-полимеразы и дезоксирибонуклеотидтрифосфатов постепенно синтезируются дочерние цепи ДНК. При этом синтез идет сразу на двух цепях - ведущей и отстающей.

На ведущей цепи синтез протекает непрерывно в направлении движения репликационной вилки. А на отстающей цепи из-за антипараллельности нитей синтез идет фрагментарно, с образованием так называемых фрагментов Оказаки.

В чем заключается реакция матричного синтеза ДНК? ДНК-полимераза движется по матрице и последовательно присоединяет комплементарные дезоксирибонуклеотиды с образованием фосфодиэфирной связи между ними. Для этого требуются ионы Mg²⁺, а также энергия, высвобождаемая при гидролизе дезоксирибонуклеотидтрифосфатов.

Транскрипция - матричный синтез РНК

Еще одним важнейшим процессом матричного синтеза в клетке является транскрипция. В ней на матрице ДНК синтезируется РНК - либо иРНК, либо тРНК, либо рРНК.

Основные функции РНК:

• иРНК - хранение информации о структуре белков
• тРНК - транспорт аминокислот к рибосомам
• рРНК - структурные компоненты рибосом

В роли основных ферментов транскрипции выступают РНК-полимеразы. Они узнают промотор участок ДНК, садятся на него и начинают считывать последовательность нуклеотидов матрицы, синтезируя комплементарную цепь РНК.

Процесс транскрипции состоит из следующих этапов:

1. Фиксация РНК-полимеразы на промоторе матрицы ДНК
2. Инициация - синтез первых нуклеотидов цепи РНК
3. Элонгация - движение вдоль цепи ДНК с наращиванием РНК
4. Терминация - достижение терминаторного участка и отсоединение РНК
5. Для эукариот - процессинг первичного транскрипта

Так в процессе транскрипции на матрице ДНК синтезируются все типы РНК. А дальше с их помощью уже идет синтез белков на рибосомах.

Процессинг РНК

Первичный транскрипт РНК эукариот подвергается дополнительной обработке - процессингу. В ходе него РНК приобретает зрелую форму, необходимую для выполнения своих функций.

Основные этапы процессинга:

• Добавление 5'-кэпа - защищает от разрушения
• Полиаденилирование 3'-конца - также защита РНК
• Сплайсинг - вырезание интронов и сшивание экзонов

Особенности трансляции

Следующим этапом после транскрипции является трансляция - синтез полипептидов на рибосомах. В этом процессе принимают участие матричная РНК, транспортные РНК и рибосомы.

Рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. Они образованы структурными рРНК и рибосомальными белками. Рибосома движется по молекуле иРНК, считывая последовательность кодонов.

Особенности работы тРНК:

• Каждая тРНК несет одну аминокислоту
• На одном конце у нее антикодон, комплементарный кодону на иРНК
• Связывается с соответствующим кодоном на иРНК
• Доставляет аминокислоту к рибосоме

На рибосоме происходит считывание генетического кода. Комплементарные кодон и антикодон образуют водородные связи, благодаря чему тРНК фиксируется на рибосоме в нужном месте. Затем происходит формирование пептидной связи между аминокислотами.

Регуляция трансляции

Синтез белка в клетке - строго регулируемый процесс. Его интенсивность зависит от потребностей клетки в белке.

Основные механизмы регуляции:

• Модификация транскрипции генов
• Влияние на стабильность мРНК
• Метилирование тРНК
• Фосфорилирование рибосом и факторов трансляции

Таким образом, клетка жестко контролирует активность матричного синтеза белка в зависимости от потребности в них в каждый конкретный момент.

Матричный синтез поверхностных соединений

Помимо биосинтеза, принцип матричного синтеза активно применяется в химии для получения различных поверхностных соединений. В роли матрицы обычно выступают полимеры или неорганические вещества, например кремнеземы.

Существует два основных подхода:

1. Метод иммобилизации - одностадийное закрепление модификатора на поверхности
2. Метод химической сборки - многостадийный синтез на поверхности матрицы

Преимущества кремнеземов как матриц:

• Высокая механическая прочность
• Размерная стабильность
• Химическая стойкость к растворителям

Привитые поверхностные соединения находят широкое применение в качестве ионообменников, носителей для иммобилизации ферментов, хроматографических материалов.

Регуляция матричного синтеза в клетке

В клетке все процессы матричного синтеза строго контролируются. Это необходимо для правильного функционирования и своевременного деления.

Основные механизмы регуляции:

• Метилирование ДНК и гистонов
• Работа транскрипционных факторов
• Фосфорилирование белков
• Строгое следование клеточному циклу

Нарушения регуляции приводят к ошибкам матричного синтеза, мутациям, злокачественной трансформации клеток.