Матричный синтез: описание, особенности и свойства
Матричный синтез представляет собой образование биополимера, последовательность звеньев в котором определяется первичной структурой другой молекулы. Последняя как бы выполняет роль матрицы, «диктующей» нужный порядок сборки цепи. В живых клетках известны три биосинтетических процесса, основанных на этом механизме.
Какие молекулы синтезируются на основе матрицы
К реакциям матричного синтеза относят:
Репликация представляет собой превращение одной молекулы ДНК в две идентичные друг другу, что имеет огромное значение для жизненного цикла клеток (митоз, мейоз, удвоение плазмид, деление бактериальных клеток и т. д.). Очень многие процессы основаны на «размножении» генетического материала, а матричный синтез позволяет воссоздать точную копию любой молекулы ДНК.
Транскрипция и трансляция представляют собой две стадии реализации генома. При этом наследственная информация, записанная в ДНК, преобразуется в определенный белковый набор, от которого зависит фенотип организма. Данный механизм именуется путем «ДНК-РНК-белок» и составляет одну из центральных догм молекулярной биологии.
Реализация этого принципа достигается при помощи матричного синтеза, который сопрягает процесс образования новой молекулы с «исходным образцом». Основой такого сопряжения является фундаментальный принцип комплементарности.
Основные аспекты синтеза молекул на основе матрицы
Информация о структуре синтезируемой молекулы содержится в последовательности звеньев самой матрицы, к каждому из которых подбирается соответствующий элемент «дочерней» цепи. Если химическая природа синтезируемой и матричной молекул совпадают (ДНК-ДНК или ДНК-РНК), то сопряжение происходит напрямую, так как каждый нуклеотид имеет пару, с которой может связаться.
Для синтеза белка требуется посредник, одна часть которого взаимодействует с матрицей по механизму нуклеотидного соответствия, а другая присоединяет белковые звенья. Таким образом, принцип комплементарности нуклеотидов работает и в этом случае, хоть и не связывает напрямую звенья матричной и синтезируемой цепей.
Этапы синтеза
Все процессы матричного синтеза поделены на три этапа:
Инициация представляет собой подготовку к синтезу, характер которой зависит от вида процесса. Главной целью этой стадии является приведение системы фермент-субстрат в рабочее состояние.
Во время элонгации непосредственно осуществляется наращивание синтезируемой цепи, при котором между подобранными согласно матричной последовательности звеньями замыкается ковалентная связь (пептидная или фосфодиэфирная). Терминация приводит к остановке синтеза и освобождению продукта.
Роль комплементарности в механизме матричного синтеза
Как уже было отмечено выше, белковый синтез происходит с участием посредника. Эту роль выполняет транспортная РНК, которая имеет участок для присоединения аминокислоты и нуклеотидный триплет (антикодон), предназначенный для связывания с матричной РНК.
В этом случае комплементарный подбор происходит не по одному, а по три нуклеотида. Так как каждая аминокислота специфична только к одному виду тРНК, а антикодон соответствует конкретному триплету в РНК, синтезируется белок с определенной последовательностью звеньев, которая заложена в геноме.
Как происходит репликация
Матричный синтез ДНК происходит с участием множества ферментов и вспомогательных белков. Ключевыми компонентами являются:
Хеликаза, праймаза и SSB-белки подготавливают почву для синтеза. В результате каждая из цепей исходной молекулы становится матрицей. Синтез осуществляется с огромной скоростью (от 50 нуклеотидов в секунду).
Y-образная структура, образованная в месте расплетания ДНК, называется репликационной вилкой.
Механизм транскрипции
Ключевым ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Последняя бывает нескольких видов и отличается по строению у прокариот и эукариот. Однако механизм ее действия везде одинаков и заключается в наращивании цепи комплементарно подбираемых рибонуклеотидов с замыканием фосфодиэфирной связи между ними.
Матричной молекулой для этого процесса служит ДНК. На ее основе могут создаваться разные типы РНК, а не только информационные, которые используются в белковом синтезе.
Участок матрицы, с которого «списывается» последовательность РНК, называется транскриптоном. В его составе имеется промотор (место для присоединения РНК-полимеразы) и терминатор, на котором синтез останавливается.
Трансляция
Началу трансляции предшествует активация аминокислот, т. е. присоединение их к соответствующим транспортным РНК с образованием макроэргической связи, за счет энергии которых впоследствии осуществляются реакции транспептидирования (присоединения к цепи очередного звена).
В процессе синтеза также принимают участие белковые факторы и ГТФ. Энергия последнего необходима для продвижения рибосомы по матричной цепи РНК.
Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Биологические матрицы и биосинтез белка
Как видно из названия этой статьи, речь сегодня пойдет о биологических матрицах — молекулах нуклеиновых кислот.
Причиной, побудившей меня, репетитора биологии по Скайпу, обсуждать с вами данную тему, явилось вот что.
Любые базисные понятия «устройства» жизни могут быть хорошо поняты лишь основываясь на двух четких взаимообусловливающих представлениях:
«что из чего состоит» и «какие функции выполняет». Так вот, что касается состава и строения нуклеиновых кислот — ДНК и РНК — это учащимися обычно выучивается (или вызубривается), а именно, что все нуклеиновые кислоты это гетерополимерные молекулы, мономерами которых являются разные нуклеотиды.
Но мне, как репетитору по биологии, хорошо известно, что, как правило, у многих из вас нет четкого представления о том:
как и почему именно такое строение нуклеиновых кислот обеспечивает выполнение возлагаемых на них природой функций.
За долго до обнаружения нуклеиновых кислот человек изобрел книгопечатание. Какой принцип используется при создании множества одинаковых копий книг? Правильно, принцип матричного копирования.
Один раз созданная, типографическая матрица набранного текста позволяет создать бесчисленное количество своих копий. Причем же здесь, спросите вы, нуклеиновые кислоты?
А вот причем. Для воспроизводства всего живого в природе используется тот же самый матричный принцип. Молекула какой-либо ДНК, созданная один раз, способна создавать свои копии бесчисленное количество раз.
Вы хорошо знаете, что этот процесс в клетке называется репликацией (редупликацией) ДНК или самоудвоением ДНК. На каждой нити материнской ДНК идет синтез дочерних нитей согласно принципу комплементарности азотистых оснований нуклеотидов.
Это помогает понять как из одной материнской молекулы ДНК образуется две молекулы ДНК — совершенно идентичные материнской:
И вот сейчас, пожалуй, самое главное.
Когда в клетке происходит репликация ДНК
Правильно, лишь при подготовке ее к будущему делению (митозу или мейозу). Кстати, и это чаще всего упускается из виду: жизнь клетки не сводится к делению ее ядра при митозе, а, наоборот, митоз — лишь совсем непродолжительный этап жизненного цикла клетки.
Основная же по времени жизнь клетки — это первая стадия интерфазы предсинтетического периода, когда молодая клетка, образовавшаяся в результате деления материнской, сначала растет, а потом начинает выполнять все возложенные на неё функции. Продолжительность этого периода зависит от того, к какому типу ткани эта клетка относится.
Таким образом, всего один раз в жизни клетки, ДНК является матрицей для копирования самой себя.
Основная же функция ДНК в течение жизни самой клетки — это осуществление (на основе её генов) биосинтеза белковых молекул.
Что такое жизнь клетки? Какие основные процессы должны происходить в ней практически постоянно?
Жизнь клетки — это постепенная реализация генетической информации (по крайней мере её части) заложенной в ДНК. И эта реализация тоже происходит по принципу матричного синтеза. Только при жизни клетки копируется не вся ДНК, как перед её делением, а отдельные ее части, называемые генами.
Для чего они копируются? Для того, чтобы создавались в клетке соответствующие, необходимые ей на данный момент белки, от которых зависит всё всё в клетке и организме в целом.
Сами гены ДНК непосредственно не могут служить основой для синтеза белков. ДНК находится в ядре клетки, а биосинтез белков протекает в эндоплазматической сети (ЭПС) цитоплазмы на специализированных структурах — рибосомах.
Поэтому сначала информация с отдельных участков ДНК просто переписывается (транскрибируется) на все три вида РНК, необходимые уже для самого процесса синтеза белка.
Специально выделил «три вида РНК»,
потому что по учебникам учащиеся запоминают, что транскрипция — это процесс синтеза только лишь и-РНК.
Пишу «просто» переписывается, потому что она фактически не изменяется. Была записана на языке нуклеотидов ДНК и переписывается на основе правила комплементарности азотистых оснований на язык тех же нуклеотидов, но уже разных видов РНК.
Итак, этот процесс называется транскрипцией. Как репетитор по биологии, хочу обратить на это ваше внимание, так как часто не могут просто запомнить, что означают сами термины…
…………. Термин «транскрипция» (переписывание) путают с «трансляцией«
Трансляция — это уже третье применение клеткой матричного синтеза, только теперь биологической матрицей выступает не ДНК, а информационная (или матричная) РНК. И, что самое важное, этот процесс уже не является простым переписыванием (транскрипцией) с языка нуклеотидов на тот же самый язык нуклеотидов. Здесь намного сложнее:
В результате трансляции, информация записанная последовательностью нуклеотидов и-РНК, должна подвергнуться предварительно расшифровке, декодированию, при помощи антикодонов молекул т-РНК, чтобы превратиться в последовательность аминокислотных звеньев синтезируемой молекулы белка.
Конечно, главное свойство генетического кода, как и любого другого кода вообще — его однозначность: определенному триплету нуклеотидов при синтезе белка соответствует строго определенная (единственная) молекула аминокислоты (триплетом называют три рядом расположенных нуклеотида и-РНК).
Именно трансляцией называется процесс перевода информации в рибосомах, записанной последовательностью нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислотных звеньев синтезируемой молекулы белка.
Таким образом, словом трансляция (а оно, обратите внимание, при написании короче, чем слово транскрипция) обозначается в биологии самый сложный и важный процесс, происходящий в клетке — процесс сборки аминокислот на рибосомах в полипептидные цепи, процесс, называемый синтезом (или биосинтезом) белка.
Надо понимать, что сам процесс биосинтеза белка это трансляция, но которой должна предшествовать транскрипция (синтез трех видов РНК: и-РНК, т-РНК и р-РНК).
Вот так, мы поговорили о трех возможностях матричного синтеза в клетке. Что биологические матрицы — это молекулы ДНК и и-РНК, но затронули еще и вопрос как не путать терминологически названия процессов транскрипции и трансляции.
Уважаемые посетители блога, у кого возникнут вопросы к репетитору биологии по Скайпу, пишите в комментариях.
Для подготовки к сдаче ЕГЭ или ОГЭ, у меня на блоге вы можете приобрести ответы на все тесты Открытого Банка Заданий ФИПИ за все годы проведения экзаменов по ЕГЭ и ОГЭ (ГИА).
Матричный характер реакции биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
Содержание:
Матричный характер реакции биосинтеза
Термин «матрица» употребляется, когда речь идет об отливке или повторения формы монет, медальонов, типографского шрифта. Форма для отливки точно копирует все детали, не упуская ни малейшей мелочи и не допуская лишних фрагментов. Матричный синтез похож на этот процесс: новые молекулы белка создаются по плану, который заложен в структуре ДНК.
Реакции матричного синтеза позволяют сохранять определенную последовательность мономерных звеньев в полимерной, длинной цепочке белка. Роль матрицы выполняет ДНК, информация с которой попадает на и- РНК. Полученные мономеры «сходят с конвейера» и собираются в одно место в клетке. За счет катализаторов, ускоряющих процесс, он проходит быстро и четко, без сбоев.
Расположение нуклеотидов ДНК и аминокислот белка в строгой последовательности, помогает фиксировать их на матрице, а затем собирать в белковую макромолекулу, «сшивая» определенные участки. Готовый полимер сходит с матрицы, и начинается синтез новой молекулы.
Важно! Благодаря матричному синтезу возможно воспроизведение себе подобных клеток и организмов. Он помогает сохранять уникальный наследственный материал каждого организма.
Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
Биосинтез белка представляет собой вариант пластического обмена, при котором наследственная информация, собранная в ДНК, реализуется в форме конкретной белковой молекулы. Полученная генетическая информация проявляется в признаках организма за счет специфичных белков.
Белок синтезируется в цитоплазме на рибосомах и этот процесс называется трансляцией. Последовательность процесса биосинтеза белковой молекулы выглядит следующим образом:
К сведению: Скорость биосинтеза белковой макромолекулы большая. У высших животных в 1 мин формируется до 60 тыс. новых цепочек полипептида, соединенных в конкретной последовательности. Из 20 аминокислот создаются комбинации в больших количествах за счет разной длины и последовательности.
Генетическая информация надежно хранится в каждой клетке, участвуя в создании важной и основной структуры – белка, который отвечает за ход метаболизма. Синтез белка – сложный и четко отлаженный процесс, благодаря которому люди обладают общими и отличительными чертами.
матрица
(в молекулярной биологии) Последовательности оснований, имеющиеся в нуклеиновых кислотах и служащие в качестве основания для синтеза комплементарных нитей ДНК или РНК.
Смотреть что такое «матрица» в других словарях:
матрица — Логическая сеть, сконфигурированная в виде прямоугольного массива пересечений входных/выходных каналов. [http://www.vidimost.com/glossary.html] матрица Система элементов (чисел, функций и других величин), расположенных в виде прямоугольной… … Справочник технического переводчика
Матрица — [matrix] система элементов (чисел, функций и других величин), расположенных в виде прямоугольной таблицы, над которой можно производить определенные действия. Таблица имеет следующий вид: Элемент матрицы в общем виде обозначается aij это… … Экономико-математический словарь
МАТРИЦА — (нем., Matrize, от лат. matrix матка). 1) в литейном производстве: медная форма для отливки букв, а также монет. 2) в типографском деле: бумажная форма для отливки стереотипа. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов… … Словарь иностранных слов русского языка
матрица — ы, ж., МАТРИС matrice f., нем. Matrize <лат. matris. 1. Форма, в которой отливают буквы, знаки при книгопечатании. Сл. 18. А велено на печатном дворе против тех образцов вырезать пунсоны стальные и ими пробить матрицы на меди, и, отлив те… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
МАТРИЦА — в математике прямоугольная таблица каких либо элементов aik (чисел, математических выражений), состоящая из m строк и n столбцов:Если m=n, то матрица называется квадратной. Над матрицей можно производить действия по правилам матричной алгебры.… … Большой Энциклопедический словарь
Матрица — двумерный массив однотипных элементов. Положение элемента в матрицы определяется номером строки и номером столбца. По английски: Matrix См. также: Типы данных Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь
матрица — сетка, (многомерная) таблица; волока, форма, матка, источник, фильера, фотоматрица, начало Словарь русских синонимов. матрица сущ., кол во синонимов: 11 • волока (2) • … Словарь синонимов
МАТРИЦА — см. ДАННЫХ МАТРИЦА Antinazi. Энциклопедия социологии, 2009 … Энциклопедия социологии
МАТРИЦА — (matrix) Множество элементов, сгруппированных в ряды и столбцы. Элементы могут быть цифрами, алгебраическими выражениями или их сочетаниями. Матрица m х n имеет m рядов (слева направо) и n столбцов (сверху вниз). В матрице А аij, представляет… … Экономический словарь
МАТРИЦА — (1) в машиностроении часть (см.) с вырезанным в нём углублением млн. отверстием, соответствующим форме обрабатываемой давлением детали, в которое входит (см.); (2) в полиграфии углублённая (в противоположность выпуклой (см.)), предназначенная… … Большая политехническая энциклопедия
Матрица — пространственная совокупность числовых значений, расположенных в узлах условной решетки. Словарь бизнес терминов. Академик.ру. 2001 … Словарь бизнес-терминов
