Теоретична частина:

Матричні біосинтези включають:

1. Реплікацію (подвоєння ДНК),

2. Репарацію (процеси виправлення ушкоджень, які виникають у ДНК),

3. Транскрипцію (біосинтез іРНК, тРНК, рРНК),

4. Трансляцію (біосинтез білка).

Основна схема передачі генетичної інформації:

транскрипція трансляція

ДНК іРНК білок

зворотна

Реплікація (у ядрі клітини) – синтез дочірньої молекули ДНК на матриці материнської молекули ДНК, заснований на принципі компліментарності азотистих основ (А=Т, Г ≡Ц), відбувається у S-фазу клітинного циклу.

Механізм реплікації – полуконсервативний. У результаті реплікації утворюється 2 нові молекули ДНК, у кожній із них – 1 ціпок „материнський”, 2 – „дочірній”.

У ДНК була виявлена активна У-подібної форми область, яка має назву реплікаційна вилка. У цих двох антипаралельних ціпках синтез дочірніх ціпків йде у напрямку 5’-3’. При цьому один ціпок будується неперервно (ведучій ціпок), а другий фрагментами (запізнюючий ціпок) по 1000-2000 нуклеотидів (фрагменти Оказаки) ферментом ДНК-полімеразою. Ці фрагменти в подальшому сполучаються в довгий дочірній ціпок ДНК-лігазою. Кожний фрагмент та ведучий ланцюг починаються із синтезу затравки (праймер), яка

будується з рибонуклеотидів. Синтез іде за допомогою ДНК-праймази. Затравка складається із 10 рибонуклеотидів та її ще називають РНК-затравкою.

Затравки синтезуються з визначеним інтервалом на матриці для відстаючого ланцюга. Така Рнк-затравка далі нарощується Днк-полімеразою, але вже дезоксирибонуклеотидами доти, доки вона не досягне Рнк-затравки попереднього фрагменту. Потім РНК-затравки вирізаються

і замість них ДНК-полімераза вбудовує дезоксирибонуклеотиди.

На ведучому та запізнюючому ланцюгах діють 2 однакові ДНК-полімерази.

Транскрипція – біосинтез молекул РНК на матриці ДНК, який локалізований в ядрі клітини, йде постійно і незалежно від циклу клітини. Ферментом транскрипції є РНК-полімераза. В евкаріот різні види РНК синтезуються різними РНК-полімеразами. У прокаріот – однією. Матрицею для синтезу ірнк служить певна ділянка одного з ланцюгів ДНК, який має назву ген, або цистрон. Молекула ірнк будується за принципом комплементарності й несе в собі генетичну інформацію про структуру одного певного білка.

РНК-полімераза приєднується до специфічної послідовності - Днк-промотору, який містить старт-сигнал для синтезу РНК. Приєднавшись до промотору, Рнк-полімераза розкручує визначену ділянку подвійної спіралі, оголюючи таким способом нуклеотиди на короткому відрізку кожного з двох ланцюгів ДНК. Один з них служить матрицею для комплементарного спарювання основ ДНК із основами мономерів – рибонуклеозидтрифосфатів. Полімераза з'єднує між собою два перші мономери і таким чином починає синтез РНК. Просуваючи уздовж ДНК, Рнк-полімераза розкручує спіраль, оголюючи нову ділянку матриці. Ланцюг РНК нарощується в напрямку 5'→3'.

Процес подовження ланцюга відбувається доки фермент не зустріне на своєму шляху специфічну нуклеотидну послідовність у ланцюзі ДНК – сигнал термінації транскрипції (стоп-сигнали). Полімераза відокремлюється від ДНК і від РНК. Під час просування ферменту уздовж матричного ланцюга в його активному центрі утворюється подвійна спіраль ДНК-РНК. Вона дуже коротка, тому що за молекулою Рнк-полімерази негайно відновлюється спіраль ДНК-РНК, а РНК – витісняється.

Завжди транскрибується (копіюється) тільки один із двох ланцюгів.

Дозрівання РНК (процесинг) відбувається в ядрі поза матриці під впливом РНК-аз, потім зріла РНК виходить з ядра в цитоплазму. іРНК переміщується на рибосому, де вона служить матрицею для синтезу білка. Таким чином, генетична інформація, закодована в ДНК, переводиться (транслюється) рибосомою в послідовність амінокислот, які утворюють різноманітні функціональні і структурні білки клітини.

Більші частини амінокислот, які надійшли в тканини разом з током крові, використовуються для біосинтезу тканьових білків. Вивчення механізму біосинтезу білка - це та область сучасної біохімії, яка найбільше інтенсивно розробляється і в якій досягнуті останнім часом значні успіхи.

У біосинтезі білка беруть участь ДНК і всі три типи РНК - інформаційна, транспортна і рибосомна. Етапами трансляції є: ініціація, елонгація і термінація.

Синтез кожного з тисяч різноманітних білків клітини кодується специфічною ірнк. Звідси стає зрозумілим велике (до декількох тисяч) число видів ірнк, які істотно відрізняються за молекулярною масою (від 25 тис. до 1 млн. ) і нуклеотидним складом.

Попередній етап – утворення активованих амінокислот за участю ферменту аміноацил-т-РНК-синтетази, 1 молекули АТФ, Mg²⁺, 61 вида тРНК. Фермент високо специфічний як у відношенні однієї певної амінокислоти, так і у відношенні трнк.

Mg²⁺

Амінокислота + тРНК + АТФ Аміноацил-тРНК + АМФ + пірофосфат.

Транспортна РНК приєднує активовану амінокислоту до так званого акцепторного кінця і переносить її до рибосоми – білоксинтезуючій частці клітини, яка складається із двох нерівних за розміром субчастиць (30 і 50 S у прокаріот; 45 і 60S у евкаріот), здатних до дисоціації і реасоціації.

Особливістю будови трнк є наявність у її середній петлі антикодону - трьох нуклеотидів (триплету) - певного складу для кожної амінокислоти. Антикодони трнк комплементарні відповідним кодонам (триплетам) інформаційної РНК і являють собою точні копії триплетів тих ділянок ДНК (генів), які були використані при транскрибуванні інформаційної РНК. У процесі синтезу білка відбувається взаємодія антикодонів транспортної РНК із комплементарними кодонами інформаційної РНК.

Ініціацією називають початок синтезу білка. На рибосомі відбувається приєднання спеціальної ініціаторної транспортної РНК, завжди зв'язаної у евкаріот із залишком амінокислоти метіоніну (метіоніл-трнк), а в прокаріот - з N-формілметіоніном, до ініціюючого кодона інформаційної РНК, яким є триплет АУГ (аденін, урацил, гуанін). Утворення ініціюючого комплексу інформаційної РНК із метіоніл-трнк відбувається на меншій за розміром субчастці, яка потім зв'язується з більшою субчасткою.

Елонгація – подовження поліпептидного ланцюга шляхом почергового приєднання амінокислотних залишків до С-кінця зростаючого поліпептидного ланцюга. Після утворення чергового пептидного зв'язку відбувається транслокація, тобто переміщення на рибосомі ірнк і пептидил-трнк.

Термінація – закінчення синтезу поліпептидного ланцюга і його відділення від рибосоми, яка знову дисоціює на субчастки. Сигналом термінації служать три специфічних кодони ірнк (УАА, УГА, УАГ).

У клітині з молекулою ірнк зв'язано кілька рибосом. Цю систему називають полірибосомою, або полісомою. Таким чином, на одній молекулі ірнк іде одночасно синтез декількох поліпептидних ланцюгів, що підвищує ефективність використання ірнк і значно прискорює синтез білка. На утворення одного пептидного зв'язку витрачається не менш трьох макроергічних фосфатних зв'язків. Регуляція біосинтезу білка в клітині здійснюється як на рівні транскрипції, так і на рівні різних етапів трансляції. Стероїдні гормони діють на рівні геному, стимулюючи синтез специфічних інформаційних РНК.

Окремі амінокислоти, крім їх участі в побудові молекули білка, використовуються клітинами організму для синтезу ряду біологічно активних азотистих небілкових речовин. Так, наприклад, з амінокислоти тирозину утворюється гормон щитовидної залози - тироксин і гормони мозкового шару наднирників – адреналін і норадреналін. Гліцин, аспарагінова кислота і глютамін беруть участь у синтезі пуринових і піримідинових основ. У біосинтезі гема (простетичної групи гемоглобіну) у якості одного з основних субстратів використовується гліцин. Із гліцину, аргініну і метіоніну синтезується креатин, який, приєднуючи фосфорильну групу АТФ, перетворюється в багату енергією сполуку – фосфокреатин, яка грає роль енергетичного "депо" у м'язах. Стандартна вільна енергія гідролізу зв'язку -N~Р- у фосфокреатині при фізіологічних значеннях рн становить приблизно 9ккал/моль. Окремі амінокислоти беруть участь у біосинтезі пептидних гормонів - вазопресину, окситоцину, брадікініну - і в синтезі цілого ряду біологічно активних коротких пептидів, таких як трипептид глютатіон (- глютамінілцистеїнілгліцин) і дипептиди карнозин (-аланілгістидин) і анзерин (-аланілметилгістидин). У рослинах ароматичні амінокислоти служать попередниками багатьох алкалоїдів. З тирозину утворюються алкалоїди - морфін, кодеїн, папаверин, а із триптофану - індолілоцтова кислота - гормон росту рослин.