§22. Реакции матричного синтеза

Определения и обозначения

Матричный синтез — образование новой молекулы по информации, записанной в структуре другой молекулы-матрицы. Матрица служит образцом: её участки определяют порядок присоединения мономеров. Благодаря этому клетка может копировать молекулы или переносить записанную в них информацию. Комплементарность помогает подобрать каждый новый нуклеотид.

Репликация — удвоение молекулы ДНК, при котором каждая исходная цепь служит матрицей для новой. В результате из одной молекулы возникают две, каждая из которых содержит исходную и вновь синтезированную цепь. Репликация нужна, чтобы перед делением клетки скопировать наследственную информацию. Так дочерние клетки могут получить копии ДНК.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матричной цепи ДНК. В последовательности РНК записывается копия информации с определённого участка ДНК. РНК может переносить эту информацию к месту сборки белка. При этом в РНК используется урацил вместо тимина.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК. Кодон — это три последовательных нуклеотида мРНК, соответствующие аминокислоте или сигналу завершения синтеза. Рибосома связывает порядок кодонов с порядком аминокислот. Так информация о последовательности в нуклеотидах превращается в последовательность белка.

Как это устроено

При матричном синтезе порядок мономеров не выбирается случайно: его задают участки матрицы. В случае нуклеиновых кислот подходящие нуклеотиды определяются комплементарностью оснований: в ДНК А соединяется с Т, а Г — с Ц; при образовании РНК напротив А встаёт У. Поэтому изменение последовательности матрицы может изменить и последовательность продукта. Ферменты связывают подходящие мономеры в цепь, используя энергию химических реакций.

При репликации ферменты раскрывают двойную спираль и разъединяют две цепи ДНК, нарушая связи между комплементарными основаниями. Освободившиеся основания каждой цепи становятся образцом для подбора новых нуклеотидов. Фермент ДНК-полимераза соединяет их в новые цепи, комплементарные исходным. Поскольку матрицами служат обе исходные цепи, синтезируются две новые; каждая исходная цепь остаётся в составе одной из двух молекул ДНК.

Для транскрипции фермент РНК-полимераза использует только одну из цепей ДНК на выбранном участке. Она подбирает к её основаниям комплементарные РНК-нуклеотиды и соединяет их в цепь. Тимин в состав РНК не входит: его место занимает урацил, который, как и тимин в ДНК, комплементарен аденину. Так получается РНК-копия информации участка, а исходная ДНК сохраняется.

Транскрипция и трансляция связывают информацию ДНК с последовательностью белка. Сначала информация с участка ДНК переписывается в матричную РНК (мРНК), которая переносит её к рибосоме. Рибосома читает мРНК группами по три нуклеотида — кодонами; каждому кодону соответствует определённая аминокислота или сигнал остановки. Поскольку кодоны считываются последовательно, их порядок задаёт порядок аминокислот в полипептиде.

Новая цепь при синтезе растёт в направлении 5′→3′, поэтому матричная цепь считывается ферментом в противоположном направлении — 3′→5′. Это правило важно учитывать, когда последовательности записывают с обозначенными концами. Синтез не происходит сам собой: ферменты ускоряют реакции, а энергия, в том числе запасённая в АТФ и нуклеотидах, нужна для присоединения и перемещения участников. Благодаря согласованной работе ферментов и источников энергии процесс может идти направленно.

Сравнение основных реакций матричного синтеза

Таблица помогает сравнить три процесса по одной и той же системе признаков. Сначала определите, какая молекула служит матрицей, затем — какой продукт образуется и какое соответствие связывает его с матрицей. Биологическое значение показывает, для чего клетке нужен каждый процесс.

Разбор задач

Комплементарная цепь ДНК

Условие: дана последовательность одной цепи ДНК АТГЦЦА. Нужно записать комплементарную цепь. Здесь требуется применить правила спаривания оснований, а не переставлять буквы произвольно. Для ДНК пары такие: А—Т и Г—Ц.

1. Запишем исходные основания по порядку: А—Т—Г—Ц—Ц—А.
2. Под каждым основанием поставим комплементарное: напротив А будет Т, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г.
3. Считаем полученные буквы слева направо, сохраняя порядок участков цепи.

Ответ: ТАЦГГТ. Проверка: в каждой позиции основания образуют пары А—Т или Г—Ц, а длина новой цепи совпадает с длиной исходной.

Последовательность РНК по матричной ДНК

Условие: матричная цепь ДНК имеет последовательность ТАЦГГА. Требуется определить РНК, синтезированную на ней. Здесь важно не переписать буквы ДНК как есть: новая цепь комплементарна матрице. В РНК вместо тимина используют урацил.

1. Для каждого основания матрицы подберём пару: Т—А, А—У, Ц—Г, Г—Ц.
2. Запишем получившиеся РНК-нуклеотиды в том же порядке: АУГЦЦУ.
3. Проверим, что в результате нет тимина, а напротив аденина матрицы стоит урацил.

Ответ: АУГЦЦУ. В обозначениях направлений матрица считывается 3′→5′, а РНК синтезируется 5′→3′; если концы не указаны, последовательность записана в порядке, принятом в условии.

Аминокислоты по фрагменту матричной ДНК

Условие: матричная цепь ДНК имеет последовательность ТАЦЦЦТТТЦ. Транскрипт считывается от начала заданного фрагмента; нужно определить последовательность и число аминокислот. Чтобы получить ответ, сначала строим мРНК, затем делим её на кодоны и используем таблицу генетического кода. Если изменить точку начала чтения, группировка нуклеотидов будет другой.

1. Запишем комплементарную РНК: Т—А, А—У, Ц—Г, Ц—Г, Ц—Г, Т—А, Т—А, Т—А, Ц—Г. Получаем АУГГГАААГ.
2. Разделим последовательность от начала на триплеты: АУГ | ГГА | ААГ.
3. По таблице генетического кода найдём соответствия: АУГ — метионин, ГГА — глицин, ААГ — лизин.

Ответ: полипептид содержит метионин—глицин—лизин, всего три аминокислоты. В данном фрагменте все девять нуклеотидов образуют три полных кодона, поэтому остатка вне кодона не остаётся.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при репликации обе новые цепи строятся по одной исходной цепи. Так думают, представляя ДНК как одну общую матрицу, но после разделения каждая из двух исходных цепей копируется отдельно. Проверка проста: у каждой дочерней молекулы должна быть одна старая и одна новая цепь, а значит, матрицами были обе исходные цепи.

Ошибка: записывать в РНК тимин вместо урацила. Обычно это происходит, когда правила спаривания для ДНК автоматически переносят на РНК. Проверьте состав полученной цепи: в РНК нет тимина, а напротив аденина матрицы ДНК при транскрипции ставится урацил.

Ошибка: путать матричную цепь ДНК с кодирующей и записывать РНК без учёта комплементарности. Если дана именно матричная цепь, последовательность транскрипта строят подбором пар оснований, а не копированием букв. Самопроверка: заметьте, что РНК комплементарна матричной цепи; с кодирующей цепью она совпадает по последовательности, кроме замены Т на У.

Ошибка: делить мРНК не на триплеты или начинать чтение не с указанного начала. Тогда меняются все последующие кодоны и соответствующие им аминокислоты. Проверяйте, что отсчёт ведётся от заданной точки, каждая группа содержит ровно три нуклеотида, а кодоны записаны подряд без пропусков.

Связь с другими темами

Для понимания матричного синтеза нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотида и правилах комплементарности. Эти основы позволяют правильно строить новые цепи и отличать РНК от ДНК. Транскрипция и трансляция раскрывают, как реализуется генетическая информация и как работает генетический код при синтезе белка. Репликация связана с удвоением ДНК перед делением клетки и передачей наследственной информации дочерним клеткам.

Что запомнить

• При матричном синтезе последовательность новой молекулы задаётся матрицей.
• Комплементарность обеспечивает соответствие новых нуклеотидов матрице.
• При репликации каждая исходная цепь ДНК служит матрицей для новой.
• При транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК.
• При трансляции рибосома считывает мРНК по кодонам.
• Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислот в полипептиде.