Матричными называются такие процессы, при которых на основе первичной структуры одного биополимера, называемой матрицей, синтезируется первичная структура другого биополимера, называемого копией, причем структура матрицы определяет структуру копии. К матричным процессам относятся:

1.биосинтез ДНК или репликация;

2.биосинтез РНК или транскрипция;

3. биосинтез белка или трансляция.

Любой матричный процесс можно разбить на 3 фазы:

1.начало синтеза или инициация

2.продолжение синтеза или элонгация

3.окончание синтеза или терминация.

Это ферментативные процессы, кроме того, требующие затраты не ферментных белковых факторов. Это энергозависимые процессы, которые требуют затраты энергии в виде АТФ или ГТФ. Ведущим правилом всех матричных процессов является правило комплиментарности. В ходе первых двух процессов, которые в основном осуществляются в ядре клетки, матрицей является нуклеиновые кислоты и копией нуклеиновые кислоты. В процессе транскрибции матрицей является нуклеиновая кислота, а копия полипептидная цепь.

Репликация.

Обычно у клеточных организмов матрица это ДНК и копия ДНК. У вирусов возможны варианты: у так называемых ретровирусов матрицей является РНК копией ДНК (например, вирус СПИДа), у рибовирусов, которые содержат молекулы РНК, встречаются случаи, когда матрицей является РНК, а копией РНК (например, вирус гриппа). У ДНК-содержащих вирусов и матрицей, и копией является ДНК (вирусы паразитирующих бактерий). Репликация-это матричный процесс, в ходе которого на основе одной двуцепочечной молекулы синтезируется две дочернии молекулы двуцепочечной ДНК идентичные как друг другу, так и материнской молекуле. Этот процесс идет перед делением клетки и необходим для нормального распределения генетической информации по дочерним клеткам. Репликация идет полуконсервативным способом это значит, что в каждую дочернюю молекулу ДНК входит как материнская, так и вновь образованная дочерняя цепь.

Матрицами в процессе репликации является одноцепочечные ДНК, полученные из двуцепочечной ДНК, за счет разрыва водородных связей, поэтому копии, образуются на матрице не идентичны, а комплиментарны друг другу. С другой стороны правило комплиментарности, и полуконсервативный способ синтеза приводит к тому, что образованные дочернии молекулы идентичны друг другу и материнской.

Центральным ферментом данного процесса является фермент ДНК-зависимая-ДНК-полимераза.

ДНК-полимераза в качестве субстрата может использовать только нуклеозидтрифосфат т.е. к растущей копии могут присоединиться только нуклеотиды;

ДНК-полимераза не способна начинать синтез, а способна наращивать 3’ конец уже имеющейся нуклеотидной цепочке, следовательно, для работы ДНК-полимеразы нужна «затравка».

ДНК-полимераза может работать только в одном направлении наращивать только 3’ конец. Поскольку синтез копии идет всегда антипараллельны матрице, то копия синтезируется от 5’ к 3’. У проккориот встречаются только два типа полимераз: полимераза 1 и полимераза 2. У эукориот: полимераза α, полимераза β, полимераза ε, полимераза δ, полимераза γ (в метохондриях).

Для всех ядерных полимераз характерны определенные особенности, связанные с репликацией:

Полимераза α может синтезировать только небольшие фрагменты ДНК, именно она может присоединятся к «затравке» и наращивать 3’ конец; полимераза ε синтезирует очень длинные фрагменты ДНК; полимераза γ синтезирует средние фрагменты ДНК. Как и любой матричный процесс, репликация требует участия ферментов белковых факторов, энергии в виде АТФ. Делится на три стадии:

1. инициация – начинается в определенных точках на молекуле ДНК, которые богаты А=Т, у проккориот точки начала репликации называются точки ori , у эукориот они получили название автономные реплицирующие последовательности или репликаторы. Ori-район опознается ori-связывающими белками, которые активизируются благодаря фосфолилирования.

Комплекс белка и точки-ori опознается ферментами хеликазой, которые начинают разрывать водородные связи в А=Т парах, в результате чего образуется репликационный глазок.

По обе стороны от репликационного глазка двуцепочечная ДНК суперсперализуется. Проблему суперсперализации решает фермент топоизомераза.

Этот фермент надрезает одну из нитей ДНК, распутывает ее и затем сшивает обратно. Возникает проблема восстановления водородных связей между цепями, либо возникновение так называемых репликационных шпилек. Эта проблема решается с помощью стабилизирующий белков SSBP-белков, которые присоединяются кооперативно к одной цепочки ДНК и мешают возникновению водородных связей и репликационных шпилек.

Еще одной проблемой является создание затравки т.к. ДНК-полимераза не может начинать синтез, однако синтез может начинать ДНК-зависимая-РНК-полимераза, которая называется проймаза, она по правилу комплиментарности строит на матрице фрагмент РНК или праймер, который и является затравкой. Построение праймера идет от 5’ к 3’ концу.

К праймеру присоединяется ДНК-полимераза α, которая может наращивать 3’ конец РНК.

На этом этапе инициация заканчивается.

2. элонгация – осуществляется с помощью ферментов ДНК-пол ε и ДНК-пол δ

на нижнюю часть нашего рисунка садится пол ε, которая может синтезировать длинные нуклеотидные последовательности. Полимераза может только наращивать 3’ конец, следовательно, на нижней цепи по нашему рисунку идет непрерывный синтез, такая цепь называется лидирующая. На верхней цепи по нашему рисунку синтез копии также идет от 5’ к 3’ за счет работы пол-δ.

На верхней цепи по нашему рисунку происходит многократная инициация т.к. пол-δ может наращивать только 3’ в результате синтез будет фрагментарным, и фрагменты ДНК получили название фрагменты Оказаки, такая цепь называется отстающая.

3. терминация

необходимо удалить праймер это осуществляется фермент экзонуклеаза, которая садится на гибридные участки и разрушает праймер. Образуются бреши, которые нужно достроить это осуществляется либо пол-α , либо пол-β застройка идет от 3’ к 5’ концу. Возникает проблема сшивания сахарафосфатного остова, эта проблема решается при помощи фермента лигазы, которая может образовывать ковалентные связи с затравкой с помощью энергии АТФ. На ДНК одновременно может существовать несколько репликаторов, в которых начинается инициация репликации, тот участок ДНК, на котором заканчивается синтез, называется терминатор. Участок молекулы ДНК между двумя терминаторами, которые содержат автономную репликационную последовательность, называются репликоны. Т.о. одна молекула ДНК может содержать много репликонов. На концевых участках ДНК возникает проблема с застройкой бреши на лидирующей цепи. С каждой репликацией молекула ДНК укорачивается, концевые участки ДНК не содержат гены и, следовательно, не несут генетической информации. Количество клеточных делений ограничено. В организме есть клетки, которые могут делится неограниченное количество раз. Это предшественники половых клеток, стволовые клетки крови, раковые клетки. Оказалось, что в тканях таких клеток в активной форме находятся фермент теломераза. Теломераза способна удлинять 3’ конец матрицы.

Транскрипция.

Это матричный процесс в ходе, которого на матрице одноцепочечной ДНК синтезируется одноцепочечная РНК (для всех клеточных организмов), у вирусов возможны варианты: на матриц РНК синтезируется копия РНК. Существуют единицы транскрипции, которые были названы транскриптонами и которые гораздо короче репликонов. Каждый транскриптон включает в себя 3 участка:

Инициатор,

Кодирующая область,

Терминатор.

Ферментом, который обеспечивает процесс транскрипции, является ДНК-зависимая-РНК-полимераза. У проккориот существует один универсальный фермент РНК-полимераза, которая работает на всех транскриптонах. У эукориот существует три варианта полимераз: полимераза 1, полимераза 2, полимераза 3, которые осуществляют различные процессы: полимераза 1 работает на транскрибтонах, которые отвечают за синтез большой рибосомальной РНК; полимераза 2 работает на транскрибтонах, которые отвечают за синтез матричной РНК; полимераза 3 работает на транскрибтонах, которые отвечают за синтез тРНК и малой рибосомальной РНК. Для большой рибосомальной РНК характерен коэффициент 45S, для малой рибосомальной РНК 5S. В настоящее время считается, что у эукориот сначала была одна полимераза 2, а затем из нее за счет модификаций возникли полимераза 1 и полимераза 3. для нормального осуществления транскрипции полимераза должна связываться с определенными белками, которые получили название транскрибирующие факторы. Существует у эукориот по крайне мере несколько транскрибирующих факторов: ТФ1; ТФ2; ТФ3… процесс энергозависим, а как все матричные процессы делится на инициацию, элонгацию и терминацию.

1. инициация начинается с района, который получил название инициатора. Он делится на два отдела:

регулятор, промотор. Регулятор необходим для присоединения регуляторных молекул, которые могут активировать или тормозить процесс транскрипции. К промотору в начале транскрипции присоединяется транскрибирующий фактор и только после этого комплекс промотор + Тф опознается

РНК-полимераза. Для промотора характерно наличие так называемого ТАТА-бокса. После образования комплекса промотор+ТФ к нему присоединяется РНК-полимераза. Она обладает рядом особенностей:

В качестве субстрата используются рибонуклеазы;

Может сама начинать синтез, построение «затравки» не нужно;

Способна наращивать только 3’ конец, т.е. работать в направлении от 5’ к 3’;

Обладает хеликазной активностью.

Присоединение ТФ необходимо для того, чтобы РНК-полимераза могла: опознать промотор, сойти с промотора на кодирующую область. После того как РНК-полимераза сходит на кодирующую область процесс инициации заканчивается. ТФ может остаться в ТАТА-боксе, либо сходит с ТАТА-бокса.

2. элонгация заключается в построении молекулы РНК по правилу комплиментарности от 5’ к 3’ концу. Между дезоксирибонуклеотидами и рибонуклеатидами нет полного соответствия, они слабо реагируют друг с другом и не образуют прочных водородных связей, поэтому копия практически сразу же сходит с матрицы. По мере прохождения РНК-полимераза ДНК восстанавливает свою нормальную структуру в виде двойной спирали.

3. терминация. Терминатор содержит специальную последовательность нуклеотидов, которые могут связываться с терминирующим фактором. У эукориот таких факторов много, у прокариот ρ-фактор, ξ-фактор. Присоединение терминирующих факторов приводит к образованию шпилек на ДНК и РНК-полимераза не может двигаться дальше. Она сходит с первичного транскриптона, и затем они диссоциирует. Для синтеза молекулы РНК используется только одна цепь ДНК в транскриптоне. Выбор цепи определяется положении промотора. Первичные транскрипты нефункциональны и поэтому подвергаются различным модификациям. В общем виде они получили название процессинг или созревание РНК.