2. Chemické reakcie, pri ktorých sa zisťuje štruktúra výslednej monomolekulovej organickej zlúčeniny a (alebo) kinetika procesu (tzv. templátová syntéza).

Atóm môže byť súčasťou komplexnej zlúčeniny a vykonávať rôzne funkcie pri syntéze matrice. Koordinuje molekuly a tým orientuje ich reagujúce fragmenty (tzv. kinetický efekt pri syntéze matrice); v tomto prípade k tvorbe cieľového produktu bez účasti atómu na reakcii vôbec nedochádza. Atóm môže komplexovať iba jeden z konečných produktov, ktoré vznikajú pri rovnovážnej reakcii (tzv. termodynamický efekt pri syntéze matrice); tvorba cieľového produktu môže nastať v neprítomnosti kovu, avšak pod vplyvom kovu sa výťažok reakcie výrazne zvyšuje. Často sa oba tieto mechanizmy vyskytujú súčasne. Sú známe prípady, kedy rovnovážna reakcia nastáva v štádiu tvorby medziproduktu. Ten je fixovaný vo forme kovového komplexu a k ďalšej transformácii dochádza špecifickým spôsobom (tzv. rovnovážny efekt pri syntéze matrice). Možné sú aj iné mechanizmy syntézy matrice.

Šablónová syntéza sa bežne používa na syntézu cyklických zlúčenín. Typickým príkladom syntézy matrice je výroba korínu (medziprodukt pri syntéze vitamínu B 12) zo zlúčeniny. ja:

V neprítomnosti Co sa zlúčenina I transformuje prevažne na endo-izomér, ktorý je pre ďalšiu syntézu nepoužiteľný. To pravé exo-štruktúra (I) je fixovaná, čím sa získa komplexná zlúčenina (II). Prítomnosť atómu Co v komplexe (je nevyhnutný aj vo vitamíne B 12) určuje priestorovú blízkosť tiometylových a metylénových skupín, čo má kľúčový význam pre vznik korínového (III) cyklu.

Syntéza matrice korunových éterov v prítomnosti iónov alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín (M) nadobudla dôležitosť. Matricový efekt iónov Mn+ je spôsobený ich schopnosťou reorganizovať priestorovú štruktúru molekuly činidla s otvoreným reťazcom do konfigurácie vhodnej na uzavretie cyklu. To zaisťuje väčšiu pevnosť koordinačných väzieb v prechodnom stave ako v komplexe Mn+ s molekulou s otvoreným reťazcom. Objavuje sa priamy prekurzor makrocyklického komplexu, v ktorom existuje súlad medzi priemerom Mn+ a veľkosťou dutiny makrocyklu.

Kovové ióny, ktorých veľkosti sú menšie alebo väčšie ako určitá veľkosť (rôzne pre rôzne zlúčeniny), nemusia byť zahrnuté do koordinačnej dutiny konečného makrocyklu po syntéze matrice. Keď teda furán kondenzuje s acetónom v kyslom prostredí bez iónov, vzniká polymér s lineárnou štruktúrou; výťažok cyklického tetraméru IV je zanedbateľný. V prítomnosti LiClO4 výťažok lineárneho produktu prudko klesá a hlavným smerom sa stáva tvorba makroheterocyklu IV:

V takýchto reakciách väzba katiónu cudzími a silnejšími komplexotvornými činidlami, ako sú korunové étery, blokuje syntézu templátu.

Ak po dokončení syntézy matrice ión spontánne neodíde a výsledný ligand môže v zásade existovať vo voľnej forme, vzniká úloha demetalizácie produktu. Dosahuje sa to pôsobením kyselín, činidiel, ktoré špecificky viažu kovy (kyanidy viažu Ni, O-fenantrolín - Fe). Niekedy sa demetalizácia uskutočňuje znížením koordinačnej schopnosti zmenou jej valencie pomocou oxidačnej redukcie. reakcie.

Zásadne dôležité sú prípady, kedy vzniká produkt, koordinácia. ktorých väzba s iónom je slabšia ako väzba tohto iónu s pôvodnými činidlami. Produkt potom ľahko „skĺzne“ z kovového iónu; počiatočné činidlá tvoria nový komplex s kovom, identický s pôvodným. Medzi takéto reakcie patrí cyklooligomerizácia acetylénu pôsobením Ni(CN)2. Počet atómov C vo výslednom kruhu závisí od počtu molekúl acetylénu koordinovaných s atómom Ni a od ich vzájomnej polohy. Ak vznikne oktaedrický komplex V so šiestimi súradnicami, v ktorom sú 4 koordinačné miesta obsadené acetylénom viazaným na p, potom vzniká cyklooktatetraén:

Ak je v reakčnom prostredí prítomný PPh 3, vzniká komplex VI, v ktorom zostávajú len 3 voľné miesta pre podiel acetylénu; konečným produktom cyklizácie je benzén.

Ako už bolo spomenuté (s. 59), najdôležitejšie biopolyméry - proteíny a nukleové kyseliny - sa v živom organizme syntetizujú polykondenzáciou matrice. Na uskutočnenie matricovej syntézy polyméru je to nevyhnutné makromolekula-matrica, prepravca všetky informácie o primárnej štruktúre syntetizovanej makromolekuly. Počas syntézy sa tieto informácie „čítajú“ a rôzne monoméry vstupujú do syntéznych reakcií v určitom poradí. Na to je potrebné, aby každý monomér „rozpoznal“ miesto na matrici makromolekuly, kde sú „zaznamenané“ informácie o tomto konkrétnom monoméri. Inými slovami, nejakí musia byť štrukturálny súlad medzi molekulou monoméru a zodpovedajúcou časťou matrice; táto korešpondencia sa zvyčajne nazýva komplementárnosť(v niektorých zdrojoch v ruskom jazyku sa nachádza pravopis „compl“. A mentalita“; pointa je asi v tom anglickom slove somple duševný vyslovované ako ' kompli ment ry).

Princíp komplementarity medzi matricovou makromolekulou a syntetizovaným polymérom možno použiť na syntézu polymérov so špecifickou primárnou štruktúrou akýkoľvek metóda (a polymerizácia  a polykondenzácia); Prebieha výskum výroby matrice syntetických kopolymérov. Avšak doteraz sú jedinými účinnými príkladmi syntéz templátových polymérov syntéza proteínov a nukleových kyselín templátovou polykondenzáciou. Všetky tieto syntézy sa vyskytujú počas genetické procesy, po prvé - replikácia, transkripcia A vysielania(syntéza malých úsekov DNA nastáva aj pri inom genetickom procese – oprave).

Vo všetkých týchto prípadoch je matica makromolekula nukleovej kyseliny: pri replikácii a transkripcii - DNA, pri translácii - matrix (messenger) RNA. Komplementárne rozpoznávanie nastáva: A. Počas replikácie a transkripcie (ako aj opravy) - medzi nukleotidovými jednotkami matricovej makromolekuly a monomérmi (nukleozidtrifosfáty); B. Počas translácie - medzi nukleotidovými jednotkami makromolekuly - matricou a nukleotidovými jednotkami antikodónov. Toto rozpoznanie sa uskutočňuje tvorbou vodíkových väzieb medzi heterocyklickými bázami: pre DNA v pároch adenín-tymín (A-T, Ade-Thy) a guanín-cytozín (G-C, Gua-Cyt), pre RNA - v pároch adenín- uracil (A-U, Ade-Ura) a guanín-cytozín. V pároch A-T a A-U sa tvoria dve vodíkové väzby, v páre G-C - tri:

Tieto páry majú presne rovnakú veľkosť (1,085 nm); to umožňuje konštruovať pravidelné sekundárneštruktúry (predovšetkým dvojzávitnica DNA).

Replikácia, transkripcia a preklad začína a končí na presne vymedzených miestach matricové makromolekuly (inými slovami, pre matricové syntézy existuje „štartovací signál“ a „stop signál“). Začiatok týchto procesov je tzv zasvätenie, proces tvorby polymérneho reťazca – predĺženie, koniec - ukončenie. Všetky tieto procesy prebiehajú za katalýzy niekoľkými enzýmami.

Replikácia. Počas tohto genetického procesu zdvojnásobenie molekuly DNA, t.j. kopírovanie genetická informácia. Podstatou procesu je rozvinutie dvojzávitnice DNA do jednoduchých reťazcov; každý z nich slúži ako templát pre syntézu nového (dcérskeho) reťazca z monomérov - deoxyribonukleozid 5'-trifosfáty. Syntéza je katalyzovaná enzýmy DNA polymerázy ktorí vykonávajú lineárne syntéza (t.j. v každom štádiu tvorby reťazca polymér a monomér interagujú) v smere 5'—>3' (t.j. v každom štádiu 3'-koncová OH skupina polyméru a 5'-trifosfátová skupina polyméru monomér reaguje:

Keďže každý monomér rozpoznáva svoju vlastnú časť, dcérsky reťazec je presnou kópiou oddeleného reťazca [ak sa počas syntézy k reťazcu pripojí „nesprávny“ monomér (t. j. nekomplementárny k svojej matricovej väzbe), potom enzým vykoná opravu – odštiepi tento odkaz].

Dvojitá väzba sa začína rozmotávať na určitom mieste; syntéza dcérskych reťazcov začína ihneď po začiatku odvíjania dvojzávitnice; dvojitá špirála sa ďalej odvíja a po rozvinutí (pohyb „replikačnej vidlice“) rastú dcérske reťazce. Navyše na dvoch jednoduchých maticových reťazcoch syntéza prebieha podľa rôznych schém. Faktom je, že v dvojzávitnici pôvodnej (materskej) DNA sú reťazce orientované antiparalelné; preto sa pre jeden reťazec replikačná vidlica pohybuje v smere 5’→3’ (toto vlákno je tzv. vedenie), a pre druhú – v smere 3’→5’ (tento reťazec sa nazýva zaostáva). Pretože syntéza dcérskeho reťazca môže pokračovať iba v smere 5'→3', potom na vedenie reťazec je syntetizovaný rovnakým smerom, ako pohyb vidlice, ale na zaostávanie - naopak smer. Preto je na hnacom reťazci nepretržitý syntéza „nasledujúca“ pohyb vidlice a na oneskorenej - prerušovaný, vo forme samostatných fragmentov tzv fragmenty Okazaki(zatiaľ čo sa syntetizuje jeden fragment, vidlica sa pohybuje opačným smerom a priestor na matrici sa uvoľní; potom sa syntéza tohto fragmentu zastaví a syntéza druhého fragmentu sa začne vo voľnom priestore atď.) :

Po dokončení syntézy sú Okazakiho fragmenty spojené špeciálnymi enzýmami (ligázami) do jedného reťazca. Na jednom reťazci (prednom) teda prebieha čisto lineárna syntéza a na druhom - zaostávajúcom - bloková (konvergentná) syntéza.

Dcérske reťazce sa tvoria s materskými reťazami Dvojitý helix– kópie pôvodných dvojzávitníc.

Polymerázová reťazová reakcia (amplifikácia fragmentov DNA)

Relatívne nedávno (K. Mullis, 1988) bola vyvinutá technika, ktorá umožňuje, aby proces podobný replikácii prebiehal nie v tele, ale „vo fľaši“ ( v in vitro) . Tento proces sa nazýva polymerázová reťazová reakcia, PCR (Polymeráza reťaz Reakcia, PCR) . Polymerázová reťazová reakcia umožňuje znásobiť množstvo pôvodne odobratej DNA; takéto zvýšenie množstva (reprodukcie) sa zvyčajne označuje výrazom „ zosilnenie." Nie všetka natívna DNA je podrobená amplifikácii PCR, ale jej fragmenty obsahujúce gény, o ktoré má výskumník záujem. Na získanie takýchto fragmentov sa natívna DNA podrobí špecifickému štiepeniu ( obmedzenia)špeciálne enzýmy - reštrikčných enzýmov(budú prediskutované neskôr). Nevyhnutná podmienka pre zosilnenie: pre amplifikovaný fragment musí byť známa primárna štruktúra z 3' koncov oboch reťazcov s približne 20-30 jednotkami.

Ak chcete vykonať polymerázovú reťazovú reakciu, musíte mať primery – oligonukleotidy 20-30 jednotiek dlhé, komplementárne k primárnym štruktúram oboch reťazcov od 3‘ koncov. Syntéza takýchto oligonukleotidov bola vyvinutá celkom dobre.

Na uskutočnenie PCR vložte fragment DNA, ktorý sa má amplifikovať, do reakčnej nádoby a pridajte veľký prebytok zavedú sa priméry aj monoméry - deoxyribonukleotid - 5'-trifosfáty - a DNA polymeráza; zvyčajne používané tepluvzdorný polymeráza izolovaná z termobaktérií. Zmes sa zahreje na 95 °C; v tomto prípade sa dvojzávitnica amplifikovaného fragmentu DNA rozpadne na jednoduché reťazce; potom sa rýchlo ochladí na 60 °C; v tomto prípade sú priméry koordinované s ich komplementárnymi 3' koncami každého vlákna. To je pravdepodobnejšie ako rekonštrukcia zlomenej dvojzávitnice, pretože primery sú vo veľkom množstve. Priméry spojené s vláknami slúžia ako priméry pre syntézu DNA z monomérov na báze templátu, ktorá je katalyzovaná DNA polymerázou. Syntéza prebieha v smere 5'→3'; na každom vlákne sa syntetizuje druhé vlákno, ktoré je k nemu komplementárne, a následne sa množstvo DNA zdvojnásobí. Potom sa cyklus zahrievania-chladenia opakuje; každá z makromolekúl DNA sa opäť zdvojnásobí atď. Je teda možné vykonať niekoľko cyklov a mnohonásobne zvýšiť množstvo DNA; veľký nadbytok primerov a monomérov to umožňuje. Postup PCR je znázornený na obrázku nižšie; pre jednoduchosť sú priméry zobrazené ako 7 jednotiek dlhé, hoci v skutočnosti sú výrazne dlhšie (20-30 jednotiek):

Syntéza polynukleotidových reťazcov prebieha samozrejme podľa rovnakej schémy (polymér + monomér) ako pri normálnej replikácii (s. 91).

Prepis. Počas tohto procesu existuje vysielať informácie z DNA na matice(informačná) DNA (ako aj transportná a ribozomálna RNA). Tento proces má veľa spoločného s replikáciou: makromolekula DNA je matricou na syntézu makromolekuly RNA z monomérov - ribonukleozid-5’-trifosfáty; syntéza začína aj odvíjaním dvojzávitnice DNA a pri katalýze enzýmami – RNA polymerázami prebieha v smere 5‘→3‘ lineárne. Existujú však aj základné vlastnosti: 1) Na rozdiel od replikácie matica slúži len jedna reťaz pôvodná DNA (tzv. mínus vlákno); 2) Syntetizovaný reťazec netvorí dvojitú špirálu s molekulou templátu, ale je oddelený vo forme jeden okruh; molekula - matrica opäť tvorí dvojitú špirálu s predtým oddeleným reťazcom DNA (plus reťazec): dvojitá špirála DNA-DNA je stabilnejšia ako špirála DNA-RNA:

Počas replikácie aj transkripcie sa syntetizujú polynukleotidové reťazce s veľmi vysokou molekulovou hmotnosťou s najvyššou rýchlosťou(u eukaryotov – 1000-3000 odkazov za minútu, u prokaryotov – až 50 000 tisíc odkazov za minútu). A. Rýchlosť proces je spôsobený: 1. Presná priestorová orientácia reagujúcich častíc: 5'-trifosfátová skupina monoméru je presne privedená na 3'-OH-koncovú jednotku syntetizovaného reťazca; k tomu dochádza v procese komplementárneho rozpoznávania; 2. Enzýmová katalýza, ktorý je známy ako najúčinnejší. Šablónová syntéza nukleových kyselín, na rozdiel od netemplátovej syntézy, nevyžaduje ochranu „extra skupín“: vyššie uvedené faktory zabezpečujú absolútnu špecifickosť interakcie funkčných skupín. B. Vysoká molekulová hmotnosť syntetizovaného polyméru úplné odstránenie nízkomolekulárny reakčný produkt – pyrofosfát, ktorý sa hydrolyzuje na fosfát [ako už bolo spomenuté (str. 72), syntéza nukleových kyselín sa týka tzv. rovnováha polykondenzácia].

Vysielanie. Matricová biosyntéza polypeptidov. Počas translácie sa genetická informácia prenáša z messenger RNA (mRNA) do proteínu.

Matricou pre syntézu polypeptidového reťazca je molekula mRNA; V tomto prípade vzniká problém s prekladom informácie zo 4-písmenovej „abecedy“ RNA do 20-písmenovej „abecedy“ polypeptidového reťazca (jeden z významov termínu „preklad“ je preklad). Inými slovami, medzi určitými úsekmi templátu RNA a určitými monomérmi na syntézu polypeptidov - a-aminokyselín - musí existovať štruktúrna zhoda. Táto korešpondencia sa nazýva proteínový kód. Kód je trojčatá: každá aminokyselina zodpovedá oblasti obsahujúcej mRNA tri nukleotidové jednotky; inými slovami, je zakódovaný trojčatá nukleotidové jednotky; taká trojica sa nazýva kodón. Súhrn všetkých kodónov - proteínový kód.

Kód proteínu je degenerovať– väčšina α-aminokyselín je zakódovaná viac ako jeden kodón. Kodóny, ktoré kódujú rovnakú aminokyselinu, sa nazývajú synonymný; spravidla sú prvé dve väzby synonymných kodónov rovnaké, ale tretia je odlišná: napríklad prolín ( Pro) kódované štyrmi kodónmi: CCU, CCA, CCC, CCG. Zo 64 kodónov (to je počet možných kombinácií štyroch typov väzieb v troch), 61 kóduje α-aminokyseliny a tri kódujú nič; volajú sa terminál alebo stop kodóny; v týchto oblastiach matrice sa syntéza polypeptidu zastaví. Kód sa spravidla neprekrýva, kodóny idú „end-to-end“ jeden po druhom: ak napríklad v sekvencii GAAUGUCCG prvé tri odkazy (GAA) kódujú jednu aminokyselinu, potom druhé tri (UGU) - druhý a tretí (CCG) - tretí; zároveň tu napríklad triplet AAU nie je kodónom.

Proteínový kód bol rozlúštený v 60. rokoch 20. storočia najmä vďaka použitiu syntetických matríc – produktov polykondenzácie oligonukleotidov (s. 89).

α-Aminokyseliny nemôžu priamo rozpoznať ich zodpovedajúce kodóny, pretože neexistujú žiadne priama komplementarita medzi ich štruktúrami. Rozpoznanie sa uskutočňuje pomocou molekúl sprostredkovateľov(adaptéry alebo po rusky adaptéry) – molekuly, ktoré môžu konkrétne koordinujú na jednej strane s kodónmi a na druhej strane s ich zodpovedajúcimi a-aminokyselinami. Takéto adaptéry sú transferové RNA(tRNA) – polynukleotidy s relatívne nízkou molekulovou hmotnosťou (73-85 nukleotidových jednotiek); tieto RNA sú rozpustné a veľmi mobilné, čo im umožňuje vykonávať transportnú funkciu – dodávanie aminokyselín do matrice. Transferová RNA má špecifickú priestorovú štruktúru („ďatelinový list“); jeden z fragmentov tejto štruktúry („akceptorový kmeň“) konkrétne kontakty jehoα-aminokyselina (a len s ňou!); druhý fragment („antikodónová slučka“) obsahuje triplet nukleotidových jednotiek, komplementárne kodón, ktorý kóduje túto konkrétnu aminokyselinu; táto trojica sa volá antikodón(ak je napríklad aminokyselina kódovaná tripletom UCA, tak jej tRNA má antikodón – AGU).

Pred samotným translačným procesom α-aminokyseliny rozpoznávajú „svoje“ tRNA a potom sa na ne kovalentne naviažu za vzniku esteru na 3’-terminálnom spojení „akceptorového kmeňa“ – aminoacyl-tRNA:

Kovalentná väzba sa uskutočňuje za účasti 5'-adenozíntrifosfátu (ATP, pppA), ktorý dodáva energiu potrebnú na to (štiepenie na adenozínmonofosfát a pyrofosfát). Vznik aminoacyl-tRNA je katalyzovaný enzýmami - aminoacyl-tRNA syntetázami; každý z nich rozpoznáva na jednej strane „svoju“ α-aminokyselinu a na druhej „svoju“ tRNA („dvojitá kontrola“, prakticky eliminuje chyby v rozpoznávaní).

Ďalej tRNA transportuje s ňou spojenú a-aminokyselinu do matrice, kde dochádza k „zostaveniu“ polypeptidového reťazca. Matrica - mRNA - tvorí komplex s ribozóm– bunková organela, čo je špecifický komplex ribozomálnej RNA s proteínmi. Počas syntézy sa ribozóm pohybuje pozdĺž reťazca mRNA od kodónu ku kodónu (tento pohyb sa nazýva premiestnenie). Syntéza polypeptidového reťazca prebieha na ribozóme. Ak vynecháme opis štruktúry ribozómu, poznamenávame, že má dve väzbové centrá – A-centrum(aminokyselina) a R-centrum(peptid), ktoré sa priamo podieľajú na syntéze.

Opäť, vynecháme začiatok (iniciáciu) translačného procesu, uvažujme o jedinom predlžovacom cykle - súbore procesov, počas ktorých sa polypeptidový reťazec zvyšuje za odkaz(obr. 9)

Jeden predlžovací cyklus zahŕňa tri stupne. Pred prvým štádiom je P-centrum obsadené tRNA asociovanou s C-koncovým spojením tvoriaceho sa polypeptidového reťazca; A-centrum je voľné a nachádza sa v kódovaní kodónov Ďalšie aminokyselina. Zapnuté najprv V kroku (1) tRNA naviazaná na túto ďalšiu aminokyselinu (tu fenylalanín) rozpozná kodón tejto aminokyseliny (pomocou antikodónu) a koordinuje sa s ním, pričom sa pripojí k A-miestu. Je veľmi dôležité, aby bol peptidový reťazec v P-centre a na ďalšej aminokyseline presne orientované navzájom - skupina NH2 ďalšej aminokyseliny je presne „cielená“ na ester karbonyl C-koncovej jednotky peptidového reťazca. Táto orientácia je spôsobená špecifickou štruktúrou ribozómu. Presná orientácia umožňuje veľmi efektívne vykonať kľúč druhý etapa (2) - tvorba peptidovej väzby(kondenzácia). Táto reakcia nasleduje po type aminolýzy esteru; „alkoholová“ zložka - tRNA - je vytesnená a zostáva v P-centre a peptidový reťazec, ktorý sa predĺžil o jednu väzbu, je teraz spojený s novou molekulou tRNA pripojenou k A-centru.

Tvorba peptidovej väzby je katalyzovaná enzýmom - peptidyltransferázou - a prebieha veľmi vysokou rýchlosťou - v čase rádovo 10 -2 - 10 -3 sekúnd.

Nasledovaný tretí etapa (3), ktorá pozostáva z troch etáp. V prvom štádiu uvoľnená tRNA predchádzajúcej aminokyseliny opúšťa P-centrum (odstránenie vedľajšieho produktu rovnovážnej polykondenzácie). V druhom štádiu sa tRNA s pripojeným peptidovým reťazcom presúva z A-centra do uvoľneného P-centra. Nakoniec v tretej fáze sa ribozóm pohybuje pozdĺž reťazca mRNA o jeden kodón (na obrázku vpravo), t.j. deje sa premiestnenie. Potom je obrázok úplne podobný pôvodnému (pred začiatkom prvého štádia), ale polypeptidový reťazec má ešte jeden článok a vedľa A-centra je nový kodón; potom sa všetko opakuje. Jeden predlžovací cyklus trvá asi 0,05 sekundy, takže syntéza dostatočne veľkého proteínu 400 jednotiek prebehne za 20 sekúnd. Syntéza prebieha v smere 5"->3" mRNA a od N-konca polypeptidového reťazca k jeho C-koncu.

Ukončenie translácia nastáva, keď A-centrum ribozómu zasiahne stop kodón; syntéza sa zastaví, hotový polypeptidový reťazec sa oddelí od poslednej tRNA a opustí ribozóm.

Ryža. 9. Schéma jedného predlžovacieho cyklu pri preklade

Zhrnutie

Polykondenzačné procesy sa v drvivej väčšine prípadov (s výnimkou polyrekombinácie) redukujú na vzájomnú interakciu funkčných skupín monomérov. Ak každý monomér obsahuje dve skupiny, vytvorí sa lineárny polymér (lineárna polykondenzácia), ak tri alebo viac, je možné zosieťovanie na vytvorenie trojrozmernej štruktúry (trojrozmerná polykondenzácia). Polymérne koncové skupiny sú nepoužité funkčné skupiny monomérov.

Pre polykondenzáciu sa používa široká škála interakcií medzi funkčnými skupinami, z ktorých polyacylácia je pravdepodobne najbežnejšia; Podľa tejto schémy dochádza najmä k syntéze proteínov a podľa podobnej schémy k syntéze nukleových kyselín.

Polykondenzačné reakcie prebiehajú postupnými mechanizmami. Konečný výsledoklineárne Polykondenzáciu určujú najmä dva faktory: stupeň reverzibility reakcie a pomer reagujúcich skupín. Na základe stupňa reverzibility sa rozlišuje rovnovážna a nerovnovážna polykondenzácia. V prvom prípade dochádza v značnej miere k reverzným reakciám (deštrukcii), preto je potrebné odstrániť nízkomolekulárny reakčný produkt; v druhom prípade takéto odstránenie nie je potrebné. Porušenie ekvivalencie reagujúcich skupín vo všetkých prípadoch obmedzuje dĺžku polymérneho reťazca. Preto na dosiahnutie vysokých molekulových hmotností je potrebné zabezpečiť prísnu ekvivalenciu skupín; naopak, na získanie oligomérov sa musí použiť vypočítaný nadbytok jednej zo skupín. Pretrojrozmerný Pre polykondenzáciu tieto obmedzenia nie sú také významné, pretože Na šitie v mnohých prípadoch postačuje neúplná hĺbka procesu.

Konvenčná neprogramovaná polykondenzácia produkuje polyméry s vysokým stupňom polydisperzity; zlomok molekúl akejkoľvek veľkosti (čo do počtu aj hmotnosti) však možno v mnohých prípadoch vypočítať celkom presne.

Na druhej strane je to polykondenzácia, ktorá umožňuje realizovať programovateľné syntézy, ktorých výsledkom je vznik monodisperzných polymérov, vrátane kopolymérov s danou primárnou štruktúrou. Môže ísť o syntézy s riadením každého štádia tvorby polymérneho reťazca (syntéza dendrimérov, syntéza polypeptidov a polynukleotidov „in vitro“). Najpokročilejšou verziou programovateľnej syntézy je syntéza matrice, počas ktorej sa čítajú informácie „zapísané“ na molekule matrice. Sú to procesy replikácie, transkripcie a translácie; Enzymatická katalýza a presná orientácia reagujúcich molekúl umožňujú tieto syntézy vykonávať nielen s najvyššou presnosťou, ale aj s najvyššou rýchlosťou.

kapitolaIV.10.

Matricová biosyntéza

V počiatočných štádiách výskumu syntézy jednej deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) z informácií z inej DNA, potom ribonukleovej kyseliny (RNA) z informácií uložených v DNA a potom syntézy proteínov z informácií z messenger RNA, všetky tieto procesy sekvenčných čítanie sa porovnávalo so získavaním výtlačkov z tlačových matríc Preto sa proces zostavovania nových reťazcov biopolymérov naprogramovaných pomocou nukleových kyselín (NAs) nazýva tzv. biosyntéza matrice a samotné molekuly NA, používané ako programy pri biosyntéze matrice, sú matrice. Ale vhodnejšie by bolo porovnať nosič informácií NK s magnetofónom, na ktorom sú informácie zaznamenané alebo s disketou.

Vo všetkých živých organizmoch DNA je primárnym nositeľom genetickej informácie. To znamená, že celý program potrebný pre život bunky a jej reakciu na rôzne vonkajšie vplyvy je zapísaný v štruktúre molekuly DNA vo forme sekvencie nukleotidov.

V prokaryotoch (prednukleárnych organizmoch) sú všetky dedičné informácie reprezentované na jednej kruhovej molekule DNA, ktorá pozostáva z niekoľkých miliónov nukleotidových párov. Niekedy je časť informácií obsiahnutá v niekoľkých malých kruhových DNA - plazmidoch.

V eukaryotoch (tie s bunkovým jadrom) sa DNA koncentruje hlavne v chromozómoch. Každý chromozóm obsahuje jednu dvojvláknovú DNA, ktorej veľkosť dosahuje stovky miliónov nukleotidových párov. V mitochondriách sa nachádzajú relatívne malé molekuly DNA. Sú nevyhnutné pre syntézu mitochondriálnej RNA a mitochondriálnych proteínov. Dvojvláknová molekula je postavená podľa princíp komplementarity . To znamená, keď každá zo štyroch NC uprednostňuje interakciu (tvorbu vodíkových väzieb) len s jednou NC z troch možných. Adenín teda interaguje prostredníctvom O-H väzieb iba s tymínom ( A - T a guanín s cytozínom ( G – C).

Syntéza polypeptidového reťazca (DNA, RNA alebo proteínu) v bunkách pozostáva z troch hlavných etáp: iniciácia, predĺženie a ukončenie.

Zasvätenie - vznik väzieb medzi monomérnymi jednotkami vytvoreného polymérneho reťazca. Ďalej sa monomér spojí s výsledným dimérom, trimérom, tetramérom atď. - toto je už predlžovanie.

Predĺženie - spojenie nasledujúceho monoméru s rastúcim polymérnym reťazcom. Tento proces prebieha v aktívnom mieste enzýmu polymerázy. Potom sa časť polyméru, ku ktorej sa pripojil monomér, presunie zo zóny aktívneho centra enzýmu - to je proces translokácie.

Ukončenie - dokončenie montáže polyméru. Na tento účel je na matrici určitá sekcia - terminátor (pomocou jeho informácií nie je možné vybrať požadovaný monomér).

Všetky procesy prebiehajúce za účasti DNA možno rozdeliť do dvoch typov:

1) pomocou informácií zaznamenaných na DNA na syntézu molekúl RNA a následne bunkových proteínov

2) zachovanie, reprodukcia a zmena informačného obsahu molekúl DNA

Každý program zaznamenaný na DNA je možné prečítať mnohokrát.

Schopnosť DNA presne sa duplikovať s ľubovoľnou sekvenciou nukleotidov v jej reťazcoch je tiež vlastná samotnému princípu konštrukcie DNA vo forme dvojvláknovej štruktúry so vzájomne sa dopĺňajúcimi sekvenciami. To znamená, že každý z reťazcov obsahuje kompletné informácie o štruktúre opačného reťazca. Keď sa dvojvláknová DNA rozchádza, každé vlákno môže reprodukovať iné vlákno – to je proces replikácie. Realizuje sa za účasti enzýmov DNA polymerázy. Syntéza DNA šablóny vykonáva dve hlavné funkcie: replikáciu DNA (zdvojenie), t.j. syntéza nových dcérskych reťazcov komplementárnych k pôvodným matricovým reťazcom a reparáciu (opraviť) DNA, ak je jeden z reťazcov poškodený. Ale oprava nie je vždy schopná obnoviť pôvodnú štruktúru DNA a proces replikácie nastáva z poškodeného vlákna DNA. V tomto prípade dôjde k dedeniu škody - mutácia.

DNA polymerázy katalyzujú prenos deoxyribonukleotidových fragmentov z ATP, GTP, CDP, TDP na hydroxyskupinu rastúceho alebo regenerovaného reťazca DNA. To znamená, že DNA polymerázy patria do triedy transferáz. Odvíjanie dvojvláknovej špirály DNA pre prístup DNA polymeráz je vykonávané dvoma enzýmami: helicase A DNA topoizomeráza.

Okrem replikácie, opravy a mutácie môže DNA podstúpiť homológna rekombinácia . Dve molekuly DNA blízke vo svojej primárnej štruktúre, nachádzajúce sa v blízkosti, sú spojené do štvorvláknovej štruktúry. V tomto prípade si susedné oblasti vymieňajú fragmenty. Rekombináciou nevznikajú nové gény, ale v dôsledku tohto procesu vznikajú nové kombinácie znakov, ktoré môžu byť pri prirodzenom výbere veľmi významné.

DNA programuje enzýmy RNA polymerázy, ktoré katalyzujú syntézu nových molekúl RNA z nukleotidov so sekvenciou komplementárnou k jednému z programovacích reťazcov DNA. Tento proces sa nazýva prepis (čítanie). Konečným výsledkom je tvorba messengerových, ribozomálnych a transportných RNA. Vytvorený reťazec RNA - primárny transkript - ešte nie je hotová RNA a prechádza ďalšou sériou transformácií - spracovaním (odštiepenie jedného alebo viacerých nukleotidov alebo naopak adícia, ale bez informácie z DNA). Syntéza RNA začína od veľmi špecifických častí DNA a vo veľmi špecifickom čase. Na to sú na DNA oblasti, na ktoré sa pripájajú RNA polymerázy a regulačné molekuly. Tieto oblasti sa nečítajú a nazývajú sa neprepísané.

Biosyntéza RNA šablóny ( prepis) sa uskutočňuje za účasti enzýmov RNA polymerázy. Tento enzým katalyzuje rovnaký typ reakcie ako DNA polymeráza (prenos nukleozidtrifosfátu na vlákno RNA), ale namiesto substrátu TDP sa používa UTP. Templátom pre transkripciu je dvojvláknová DNA. V blízkosti aktívneho centra RNA polymerázy sa dvojvláknová špirála rozvinie a enzým vytvorí reťazec RNA na základe informácie prečítanej z vlákna DNA. RNA je zložená podľa princípu komplementarity s tým rozdielom, že namiesto tymínu je použitý uracil a nukleozidy, ktoré obsahujú skôr ribózu ako deoxyribózu.

Iniciácia prebieha v presne definovanej oblasti matrice DNA, nazýva sa to promótor , a práve s tým dochádza k špecifickej interakcii aktívneho centra RNA polymerázy. Potom začína syntéza reťazca RNA. DNA obsahuje veľa takýchto promótorov a keď sa zmenia podmienky RNA polymerázy, môže sa pripojiť k inému promótoru. Pri zvýšení teploty o 2,0-3,0 °C nad fyziologickú úroveň sa teda RNA polymeráza naviaže na promótor, z ktorého začne čítať informácie potrebné pre syntézu špeciálnych ochranných proteínov – HSP.

Novo syntetizovaná RNA ešte nie je pripravená vykonávať svoju funkciu a prechádza množstvom transformácií - spracovanie. Podieľa sa na ňom veľa enzýmov. Reťazec RNA je teda často potrebné rozrezať na niekoľko kratších alebo orezať konce, čím sa odstránia prebytočné nukleotidy - to sa robí RNázy. Proces transkripcie je bodom aplikácie mnohých biologicky aktívnych látok, ako sú antibiotiká a toxíny. Antibiotikum rifampicín tak blokuje pôsobenie RNA polymeráz prokaryotov a toxínu muchotrávky -a-amanitín - RNA polymeráza eukaryotov. To inhibuje syntézu mRNA mnohých životne dôležitých proteínov.

Biosyntéza bielkovín podľa informácie o RNA je tzv vysielať (prenos). Vyskytuje sa na zložitých supramolekulárnych štruktúrach – ribozómoch, ktoré sú postavené z ribozomálnej RNA a proteínov. AA na zostavenie nových polypeptidových reťazcov sú dodávané do ribozómov za účasti tRNA, z ktorých každá viaže jednu AK. Zostavenie polypeptidového reťazca sa uskutočňuje podľa informácií obsiahnutých v mRNA. V reťazci mRNA sú informácie o každej AK zapísané ako kombinácia troch nukleotidov (napríklad UUU alebo UUC-fenylalanín, AUG-metionín). Takéto trinukleotidy sa nazývajú kodóny . Na ribozómoch dochádza k interakcii kodónu mRNA s antikodónom tRNA. Antikodón tRNA je tiež trinukleotid a samotná tRNA má tvar javorového listu (alebo kríža). Na malej podjednotke ribozómu sa nachádza miesto, kde kodón mRNA interaguje s antikodónom tRNA – ide o dekódovaciu oblasť. Iniciácia syntézy polypeptidového reťazca začína interakciou medzi dvoma zvyškami tRNA, z ktorých jeden nesie aminokyselinu metionín (tu zvyčajne všetko začína). Vybraná AK sa prenesie z jednej tRNA do tRNT, z ktorej začína syntéza proteínového reťazca. Časť ribozómu, kde dochádza k tomuto prenosu, obsahuje enzým peptidyltransferázu. Je lokalizovaný na veľkej podjednotke ribozómu. Molekula tRNA sa nachádza súčasne na dvoch podjednotkách. Rôzne AA sa postupne pripájajú k počiatočnej molekule tRNA (s metionínom) prostredníctvom peptidovej väzby, až kým sa na mRNA nenájde miesto ukončenia. Tým sa dokončí syntéza polypeptidu.

Ribozómy, podobne ako RNA polymerázy, sú miestami pôsobenia mnohých antibiotík, napríklad streptomycín sa viaže na malú podjednotku prokaryotického ribozómu, chloramfinekol - na veľkú podjednotku v blízkosti aktívneho centra peptidyltransferázy. V tomto prípade je syntéza bakteriálnych proteínov inhibovaná a u zvierat sa nemení.

ODKAZY NA KAPITOLU IV .10.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochémia pre lekára // Jekaterinburg: Uralsky Rabochiy, 1994, 384 s.;

Matricová syntéza je tvorba biopolyméru, ktorého sekvencia jednotiek je určená primárnou štruktúrou inej molekuly. Ten funguje ako matica a „diktuje“ požadované poradie zostavenia obvodu. V živých bunkách sú známe tri biosyntetické procesy založené na tomto mechanizme.

Aké molekuly sa syntetizujú na základe matrice

Reakcie syntézy matrice zahŕňajú:

• replikácia – zdvojnásobenie genetického materiálu;
• transkripcia - syntéza ribonukleových kyselín;
• translácia – tvorba molekúl bielkovín.

Replikácia je premena jednej molekuly DNA na dve rovnaké, čo má veľký význam pre životný cyklus buniek (mitóza, meióza, duplikácia plazmidov, delenie bakteriálnych buniek atď.). Mnohé procesy sú založené na „reprodukcii“ genetického materiálu a syntéza matrice vám umožňuje znovu vytvoriť presnú kópiu akejkoľvek molekuly DNA.

Transkripcia a translácia sú dva stupne implementácie genómu. V tomto prípade sa dedičná informácia zaznamenaná v DNA premení na špecifický proteínový súbor, od ktorého závisí fenotyp organizmu. Tento mechanizmus sa nazýva dráha „DNA-RNA-proteín“ a predstavuje jednu z centrálnych dogiem molekulárnej biológie.

Implementácia tohto princípu sa dosahuje pomocou syntézy matrice, ktorá spája proces tvorby novej molekuly s „pôvodnou vzorkou“. Základom tohto párovania je základný princíp komplementarity.

Základné aspekty molekulárnej syntézy založenej na šablóne

Informácie o štruktúre syntetizovanej molekuly sú obsiahnuté v sekvencii väzieb samotnej matrice, ku ktorej je vybraný zodpovedajúci prvok „dcérskeho“ reťazca. Ak sa chemická povaha syntetizovaných a templátových molekúl zhoduje (DNA-DNA alebo DNA-RNA), dochádza k párovaniu priamo, pretože každý nukleotid má pár, s ktorým sa môže dostať do kontaktu.

Syntéza proteínov vyžaduje medzičlánok, ktorého jedna časť interaguje s matricou prostredníctvom mechanizmu nukleotidového párovania a druhá časť pripája proteínové jednotky. Princíp komplementarity nukleotidov teda funguje aj v tomto prípade, hoci priamo nespája väzby templátu a syntetizovaných reťazcov.

Etapy syntézy

Všetky procesy syntézy matrice sú rozdelené do troch etáp:

• iniciácia (začiatok);
• predĺženie;
• ukončenie (ukončenie).

Iniciácia je príprava na syntézu, ktorej povaha závisí od typu procesu. Hlavným cieľom tejto fázy je uviesť systém enzým-substrát do funkčného stavu.

Počas predlžovania sa priamo predlžuje syntetizovaný reťazec, v ktorom je medzi jednotkami vybranými podľa templátovej sekvencie uzavretá kovalentná väzba (peptid alebo fosfodiester). Ukončenie zastaví syntézu a uvoľní produkt.

Úloha komplementarity v mechanizme syntézy templátu

Princíp komplementarity je založený na selektívnom zhode dusíkatých báz nukleotidov navzájom. Pre adenín je teda ako pár vhodný len tymín alebo uracil (dvojitá väzba) a pre guanín cytozín (3 trojitá väzba).

Počas syntézy nukleových kyselín sa komplementárne nukleotidy viažu na väzby jednovláknovej matrice a zoraďujú sa v určitej sekvencii. Na základe segmentu DNA AACGTT je teda možné počas replikácie získať iba TTGCAA a počas transkripcie UUGCAA.

Ako je uvedené vyššie, k syntéze proteínov dochádza za účasti sprostredkovateľa. Túto úlohu plní transferová RNA, ktorá má miesto na pripojenie aminokyseliny a nukleotidového tripletu (antikodónu) určeného na naviazanie na messenger RNA.

V tomto prípade sa komplementárny výber nevyskytuje po jednom, ale po troch. Keďže každá aminokyselina je špecifická len pre jeden typ tRNA a antikodón zodpovedá špecifickému tripletu v RNA, syntetizuje sa proteín so špecifickou sekvenciou jednotiek, ktorá je obsiahnutá v genóme.

Ako dochádza k replikácii?

K syntéze templátovej DNA dochádza za účasti mnohých enzýmov a pomocných proteínov. Kľúčové komponenty sú:

• DNA helikáza - odvíja dvojitú špirálu, ničí väzby medzi reťazcami molekuly;
• DNA ligáza - „zašíva“ zlomy medzi fragmentmi Okazaki;
• primáza - syntetizuje primér potrebný na fungovanie fragmentu syntetizujúceho DNA;
• SSB proteíny - stabilizujú jednovláknové fragmenty neskrútenej DNA;
• DNA polymerázy – syntetizujú dcérske templátové vlákno.

Proteíny helikázy, primázy a SSB pripravujú pôdu pre syntézu. Výsledkom je, že každý z reťazcov pôvodnej molekuly sa stáva matricou. Syntéza prebieha obrovskou rýchlosťou (od 50 nukleotidov za sekundu).

DNA polymeráza pôsobí v smere od 5' po 3' koniec. Z tohto dôvodu na jednom z reťazcov (hlavný) prebieha syntéza, keď sa odvíja a nepretržite, a na druhom (zaostávajúcom) - v opačnom smere a v samostatných fragmentoch nazývaných „Okazaki“.

Štruktúra v tvare Y vytvorená tam, kde sa DNA odvíja, sa nazýva replikačná vidlica.

Transkripčný mechanizmus

Kľúčovým transkripčným enzýmom je RNA polymeráza. Ten prichádza v niekoľkých typoch a líši sa štruktúrou medzi prokaryotmi a eukaryotmi. Mechanizmus jeho účinku je však všade rovnaký a spočíva v zvyšovaní reťazca komplementárnych vybraných ribonukleotidov s uzavretím fosfodiesterovej väzby medzi nimi.

Templátovou molekulou pre tento proces je DNA. Na jej základe možno vytvárať rôzne typy RNA, a to nielen informačné, ktoré sa využívajú pri syntéze bielkovín.

Úsek matrice, z ktorého je skopírovaná sekvencia RNA, sa nazýva transkriptón. Obsahuje promótor (miesto na pripojenie RNA polymerázy) a terminátor, pri ktorom sa syntéza zastaví.

Vysielanie

Matricová syntéza proteínov u prokaryotov aj eukaryotov sa uskutočňuje v špecializovaných organelách – ribozómoch. Posledne menované pozostávajú z dvoch podjednotiek, z ktorých jedna (malá) slúži na viazanie tRNA a messenger RNA a druhá (veľká) sa podieľa na tvorbe peptidových väzieb.

Začatiu translácie predchádza aktivácia aminokyselín, t. j. ich naviazanie na zodpovedajúce transferové RNA s vytvorením vysokoenergetickej väzby, vďaka energii ktorej následne prebiehajú transpeptidačné reakcie (pripojenie nasledujúceho spoja do reťaze).

Na procese syntézy sa podieľajú aj proteínové faktory a GTP. Jeho energia je potrebná na pohyb ribozómu pozdĺž templátového vlákna RNA.

Toto je jeden zo zaujímavých problémov molekulárnej biológie, kde mnohé takéto mechanizmy stále nie sú rozlúštené. V živom organizme sa syntéza bielkovín neustále vyskytuje spolu s rozpadom. Metóda lineárnych atómov umožnila zistiť, že bunky obsahujú veľké množstvo rôznych proteínov a rýchlosť ich syntézy je rôzna. Proteíny erytrocytov sa vymieňajú v priebehu 2-3 mesiacov, súčasne sa už veľmi rýchlo vymieňajú bielkoviny, pričom sa zistilo, že hlavné bielkoviny nervového tkaniva sa vymieňajú do 21 dní.

Proteíny v bunkách orgánov a tkanív interagujú s rôznymi zložkami a preto v bunkách musí existovať mechanizmus, ktorý by zabezpečil bezchybnú syntézu bielkovinových látok. To má vplyv na metabolické procesy.

Medzi ochorenia spojené s poruchami syntézy bielkovín možno nazvať „albinizmus“. Čo sa deje:

1) Porušenie procesu tvorby melanínového pigmentu je produkované v špeciálnych bunkách, melanocytoch, ktoré sa nachádzajú v koži, vlasových folikuloch a sietnici. Produkcia pigmentu sa zastaví v dôsledku narušenia procesu premeny fenylalanínu na tyrozín. Albinizmus neprodukuje enzým tyrozinázu. Podporuje ďalšiu tvorbu melanínového pigmentu.

Príznaky: mliečne biela farba pleti, blond vlasy, svetlá dúhovka, depigmentácia sietnice, znížená zraková ostrosť (ľudia trpia, ale žijú)

2) Kosáčikovitá anémia vzniká v dôsledku nahradenia jednej aminokyseliny driekom a hemoglobín nadobúda tvar kosáčika a nemôže vykonávať svoju hlavnú funkciu - transport O 2

Aby proces biosyntézy bielkovín prebiehal normálne, je potrebné:

1) Prúdenie hmoty(aminokyseliny, z ktorých sa budú stavať bielkoviny), povinná prítomnosť esenciálnych aminokyselín. Tok musí byť kvantitatívny aj kvalitatívny. Ak sa s jedlom vyskytne nedostatočné množstvo esenciálnych aminokyselín, potom nastáva hladovanie bielkovín. To vedie k nerovnováhe dusíkovej bilancie (stáva sa negatívnou). Toto je dôležité zvážiť pri navrhovaní diét;

2) Tok energie. Zistilo sa, že k syntéze komplexných látok v tele dochádza pri konzumácii zdroje energie - ATP, GTP atď. energia;

3) Je potrebná informácia o tom, ktorý proteín by sa mal syntetizovať;

4) Vyžadujú sa priami účastníci syntézy bielkovín – rôzne typy RNA, ktoré umožňujú bunke syntetizovať daný proteín. RNA je nositeľom toku informácií z DNA do miesta syntézy bielkovín.

Začnime všeobecnými mechanizmami syntézy DNA

1) Kornberg v roku 1953 navrhol enzymatickú cestu v bezbunkovom prostredí s účasťou DNA polymerázy

Objav v roku 1960 súčasne v dvoch amerických laboratóriách enzýmu RNA polymeráza, ktorý katalyzuje syntézu RNA z voľných nukleotilov. Prispel k dešifrovaniu mechanizmu syntézy RNA.

Najviac študovaná RNA polymeráza prokaryot E. coli s AC 487000 pozostáva z 5 podjednotiek.

RNA polymerázy (nazývané DNA-dependentné polymerázy) zistili, že molekula DNA je nevyhnutná nielen pre polymerizačnú reakciu, ale že určuje sekvenciu ribonukleotidov v novosyntetizovanej molekule RNA nahradením tymizínového nukleotidu DNA uridylovým nukleotid v RNA. Vo všeobecnosti možno syntézu RNA znázorniť takto:

Predpokladá sa, že E. coli má jednu DNA-dependentnú RNA polymerázu, ktorá syntetizuje všetky typy bunkovej RNA. Menej študované sú RNA polymerázy eukaryotov. Zo živočíšnych buniek boli izolované tri skupiny RNA – polymerázy A, B, C, ktoré sa podieľajú na syntéze rRNA, mRNA a tRNA.

Biosyntéza matrice pozostáva z 3 fáz:

1. Biosyntéza DNA - replikácia (mechanizmus zdvojenia DNA), oprava (enzymatické mechanizmy, ktoré zisťujú a opravujú poškodenie DNA)

2. Transkripcia – biosyntéza DNA (tRNA, rRNA, mRNA)

3. Štádium biosyntézy bielkovín - translácia

Biochemický význam replikačných procesov spočíva v tom, že prebiehajú v niekoľkých štádiách. (Obr.1)

V prvej fáze - zasvätenie- dochádza k tvorbe replikačných vidlíc za účasti enzýmov (DNA helikázy, DNA gyrázy), t.j. ak máme 2-vláknovú DNA, tak sa v určitom štádiu jeden z reťazcov odskrutkuje a stratená časť sa skompletizuje v podobe antiparalelného reťazca (obr. 1).

Počas iniciácie sú proteíny viažuce DNA a odvíjajúce sa od DNA postupne pripojené k reťazcom DNA a potom komplexy DNA-polymerázy a DNA-dependentná RNA-polymeráza (primáza).

Druhá fáza. Obidve vlákna súčasne prechádzajú procesom replikácie DNA. Rast dcérskych reťazcov nastáva v smere

5' _____3'. Prvý stupeň sa uskutočňuje pomocou DNA polymerázy 111

Ďalej sa zúčastňuje DNA polymeráza 11 Syntéza na jednom reťazci prebieha nepretržite a na druhom vo fragmentoch (Okazakiho fragmenty). Druhý stupeň končí separáciou primerov, spájaním jednotlivých fragmentov DNA pomocou DNA ligáz a vytvorením dcérskeho reťazca DNA.

Tretia etapa- k ukončeniu syntézy DNA dochádza v dôsledku prerušenia reťazca v dôsledku vyčerpania templátu DNA. Presnosť replikácie je vysoká. Ak sa vyskytne chyba, môže byť opravená počas procesu opravy.

1 Schéma hlavných štádií replikácie DNA (podľa T.T. Berezova a B.F. Korovkina) Obr.

Oprava DNA a RNA.

Množstvo exogénnych a endogénnych faktorov vedie k rôznym poškodeniam DNA v bunke. Bunky majú systémy na opravu DNA. Ide o enzymatické mechanizmy, ktoré zisťujú a opravujú poškodenie.

Aké sú na to potrebné podmienky?

1. Je potrebné rozpoznať miesto poškodenia DNA (pomocou endonukleáz);

2. Odstránenie poškodenej oblasti (pomocou DNA glykozidáz);

3. Syntéza nového fragmentu (DNA - oprava polymerázy);

4. Spojenie tvorby nových úsekov so starým reťazcom (enzým DC ligáza).

transkripcia RNA.

Transkripcia sa líši od replikácie. Počas replikácie sa jeden z reťazcov DNA úplne replikuje a počas transkripcie sa prepisuje
jednotlivé gény. Preto každý gén DNA nesie svoju vlastnú informáciu.

Proces tvorby mRNA na DNA primeru je možný len na fungujúcom DC. Proces transkripcie je viacstupňový. Pred fenoménom otvárania a spájanie(maturácia, zostrih) mRNA bolo známe, že mnohé eukaryotické mRNA sa syntetizujú do obrovských vysokomolekulárnych prekurzorov (pre-mRNA), ktoré už v jadre prechádzajú posttranskripčnými u spracovanie. Ukázalo sa, že gén v eukaryotoch má zložitú mozaikovú štruktúru. Zahŕňa oblasti, ktoré nesú informácie, sú to kódovanie - exóny a oblasti, ktoré nenesú informácie, t.j. nič nekódovať - intróny. Tu je koncept b exonintronová štruktúra(obr. 2).

Enzým DNA-dependentná RNA polymeráza katalyzuje transkripciu exónov aj intrónov za vzniku heterogénnej jadrovej RNA (nRNA), nazývanej aj primárny transkript. Intróny spolu s exónmi sú transkribované; Avšak aj v jadre sú intróny vyrezané malými jadrovými RNA (snRNA), čo vedie k vytvoreniu fungujúcej mRNA. Enzymatický proces odstraňovania intrónov z transkriptu RNA a kombinovania (spájania) zodpovedajúcich exónov sa nazýva - spájanie .

Sekvencia nukleotidov v molekule mRNA začína párom GU (5" - koniec) a končí párom AG (3" - koniec). Tieto sekvencie slúžia t lokalít(miestami) rozpoznanie splicingových enzýmov.

Capping(CEP) sa redukuje na pridanie 7-metylguanozínu pomocou trifosfátovej väzby na 5" koniec mRNA; predpokladá sa, že "NEP" sa podieľa na rozpoznávaní vhodného miesta na molekule mRNA a prípadne chráni samotnú molekulu pred enzymatická degradácia.

Polyadenylácia pozostáva z postupného enzymatického pridávania 100 až 200 zvyškov AMP na 3" koniec mRNA. Funkcia tohto procesu nebola úplne študovaná, ale predpokladá sa, že tento proces chráni mRNA pred hydrolýzou bunkovými RNázami.

Spracovanie, zostrih, capping, polyadenylácia sú procesy, ktoré zabezpečujú syntézu molekúl RNA pozostávajúcich len z exónov.

Všetky typy RNA (rRNA, tRNA, mRNA) sa syntetizujú podobným spôsobom.

Pre každú molekulu RNA prítomnú v tele je teda možné nájsť úsek DNA, ku ktorému je komplementárna. Stále však existujú určité zvláštnosti v syntéze rôznych druhov.

mRNA sa syntetizuje v oveľa väčšej veľkosti, ako je potrebné na syntézu proteínov. Imunoglobulínový proteín teda zahŕňa ťažký reťazec, kódovaný 1800851 nukleotidovými zvyškami, z ktorých 1300 nukleotidových zvyškov priamo kóduje proteínovú štruktúru.

tRNA sa syntetizuje rovnakým spôsobom ako mRNA, ale syntéza pochádza z väčšieho prekurzora. Tento proces prechádza zostrihom za účasti cytoplazmatických enzýmov.

rRNA prichádza v niekoľkých typoch. Prokaryoty syntetizujú tri typy rRNA: 235, 16S, 5S. Sú tvorené z dlhej prekurzorovej pre-rRNA. Z nich vzniká jedna z ribozomálnych podjednotiek.

Transkripcia je teda viacstupňový proces, v dôsledku ktorého sa syntetizujú všetky typy RNA.

Biosyntéza bielkovín (preklad).

Pri preklade sa genetický text preloží do lineárnej sekvencie aminokyselín v polypeptidovom reťazci proteínu.

Proces prekladu možno rozdeliť do dvoch fáz, ktoré majú rôznu lokalizáciu v bunke: prieskum(rozpoznanie aminokyselín) a samotná biosyntéza bielkovín. Rozpoznávanie prebieha v cytoplazme a biosyntéza proteínov prebieha v ribozómoch.

Uznanie, príp uznanie aminokyseliny. Podstatou rozpoznávania aminokyselín je spárovanie aminokyseliny s jej tRNA. Štruktúra tRNA má vlastnosti potenciálneho „prekladateľa“, keďže jedna molekula spája schopnosť „čítať“ text nukleotidu (antikodón tRNA sa špecificky páruje s kodónom mRNA a nesie (na akceptorovom konci) svoju aminokyselinu Špeciálne enzýmy zabezpečujú, že tRNA rozpoznáva svoju aminokyselinu e aminoacyl- tRNA - syntetázy (ARCázy). V tomto prípade sa musia aktivovať aminokyseliny aj pomocou APCáz. Tento proces prebieha v 2 etapách:

Ribozómy, ktoré sa nezúčastňujú na syntéze proteínov, sa ľahko disociujú na podjednotky. V bunke sú ribozómy buď vo voľnom stave, alebo sú spojené s membránami endoplazmatického retikula. Voľný pohyb ribozómov do rôznych častí bunky alebo ich spojenie na rôznych miestach s membránami endoplazmatického retikula evidentne umožňuje zostaviť proteíny v bunke tam, kde sú potrebné.

Biosyntéza proteínov sa líši od iných typov biosyntézy templátu – replikácie a transkripcie – v dvoch vlastnostiach:

1) Neexistuje žiadna zhoda medzi počtom znakov (monomérov) v matrici a reakčnými produktmi v mRNA 4 rôznych nukleotidov, v proteíne je 20 rôznych aminokyselín;

2) Štruktúra ribonukleotidov (matrix monoméry) a aminokyselín (produktové monoméry) je taká, že neexistuje žiadna komplementarita medzi mRNA (matrica) a polypeptidovým reťazcom proteínu (produktu).

Syntéza alebo translácia proteínu je rozdelená do 3 fáz: iniciácia (začiatok), elongácia (predĺženie polypeptidového reťazca), terminácia (koniec).

Teraz sa zistilo, že na začatie syntézy proteínov existuje špeciálny iniciačný komplex (formyl met-tRNA a mRNA spojené s niekoľkými molekulami proteínu GTP). Existuje interakcia medzi kodónmi mRNA a antikodónmi formylmeth RNA. (Obr.3)

Po prvé, iniciačná formylmet RNA sa viaže na veľkú podjednotku ribozómu v oblasti P (peptidylové centrum). Ďalšia aminokyselina vo forme alátovej RNA sa viaže na miesto A (aminoacylové centrum). Ribozómy v dôsledku interakcie antikodónu tRNA a kodónu mRNA. Výsledkom je, že „NH 2 “ tejto aminokyseliny sa objaví v blízkosti „COOH“ skupiny prvej aminokyseliny, pomocou peptidotransferázy sa vytvorí peptidová väzba v mieste A. Výsledný dipeptid sa prenesie translokázou z z miesta A do miesta P, pričom odtiaľ vytesní tRNA, ktorá môže opäť interagovať s inou aminokyselinou, je potrebná účasť GTP. Pôsobením peptidovej transferázy sa peptidový reťazec prenesie z miesta P do miesta A. Ribozóm sa posunie a nový kodón mRNA sa stane oproti miestu A. Tým sa dokončí jeden ribozomálny cyklus. Proces syntézy proteínov pokračuje, kým sa k miestu A nepriblíži nezmyselný kodón (UAG, UAA, UGA). V tomto bode syntéza proteínov končí a syntetizovaný peptid z miesta P je oddelený od povrchu ribozómu.

Väčšina syntetizovaných proteínov zostáva v bunke a niektoré odchádzajú exocytózou. To si vyžaduje energiu ATP, takže keď je nedostatok ATP, proteíny sú zadržané v bunke. Proteíny sú obzvlášť aktívne vylučované žľazovými bunkami a pečeňovými bunkami. Čo sa deje vedľa syntetizovaného proteínu?

Po oddelení od ribozómu je okamžite hydrolyzovaný cytoplazmatickými ribonukleázami. Už pri translácii sa proteín začína zapadať do trojrozmernej štruktúry, ktorú napokon nadobudne po oddelení syntetizovaného proteínu od ribozómu. V dôsledku translácie sa nie vždy vytvorí funkčne aktívny proteín. V mnohých prípadoch sú potrebné dodatočné post-translačné zmeny. Napríklad inzulín vzniká z prekurzorov (proinzulínu) v dôsledku odštiepenia časti peptidového reťazca pôsobením špecifických proteáz. Podobným spôsobom, t.j. Čiastočnou proteolýzou sa aktivujú mnohé proenzýmy.

Pridanie prostetickej skupiny na vytvorenie komplexných proteínov a spojenie protomérov oligomérnych proteínov sú tiež posttranslačné zmeny. V niektorých proteínoch dochádza po dokončení syntézy peptidového reťazca k modifikácii aminokyselinových zvyškov, napríklad k premene prolínu a lyzínu na hydroxylyzín a hydroxyprolín v kolagénoch, metylácii arginínu a lyzínu v histónoch, jódovaniu tyrozínu v trioglobulíne . Niektoré proteíny podliehajú glykozylácii, pričom sa pridávajú oligosacharidové zvyšky (tvorba glykoproteínov). Jednou z postsyntetických modifikácií je fosforylácia niektorých tyrozínových zvyškov v molekule proteínu a v súčasnosti sa považuje za jedno zo špecifických štádií tvorby onkoproteínov počas malignity normálnych buniek. Aj keď je biosyntéza proteínov zložitým viacstupňovým procesom, štrukturálne a funkčné vzťahy jej rôznych štádií ešte nie sú dostatočne prebádané.

Obr. 3 Schéma predlžovania polypeptidového reťazca