SVYAT | BIOCHEM

МАТРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ПРАКТИКА

РЕПЛИКАЦИЯ

SVYAT | BIOCHEM

Репликация — это процесс самоудвоения молекулы ДНК. В клетках эукариот удвоение ядерной ДНК протекает строго в S-фазе (синтетическом периоде) интерфазы, подготавливая клетку к последующему делению.

Полуавтономные органоиды Митохондрии и пластиды (хлоропласты) удваивают свою собственную кольцевую ДНК независимо от клеточного цикла ядра (в любой момент интерфазы), так как размножаются бинарным делением подобно бактериям.

Топоизомераза Снимает напряжение и супервитки перед репликативной вилкой.

Геликаза Расплетает двойную спираль, разрывая водородные связи.

SSB-белки Удерживают расплетенные цепи, не давая им слипнуться обратно.

ДНК-полимераза Главный фермент, достраивающий новую цепь из нуклеотидов.

РНК-праймер Стартовая площадка (затравка), с которой полимераза начинает работу.

Лидирующая цепь Строится непрерывно вслед за движением геликазы.

Фрагменты Оказаки Короткие участки, из которых прерывисто собирается отстающая цепь.

РНК-полимераза (праймаза) Синтезирует короткие РНК-затравки для старта репликации (невидима на схеме).

ДНК-лигаза Сшивает разрозненные фрагменты Оказаки в единую цепь (невидима на схеме).

🧬 Биохимическая справка: Все ферменты в этом процессе (геликаза, полимераза, лигаза и др.) — это белки, которые состоят из аминокислот. А сама ДНК и праймеры (РНК) — это нуклеиновые кислоты, мономерами которых являются нуклеотиды.

Матричный процесс

Репликация относится к реакциям матричного синтеза. Это значит, что исходная (материнская) цепь ДНК служит строгим шаблоном (матрицей) для сборки новой цепи.

Полуконсервативность

В каждой новой молекуле ДНК одна цепь старая (материнская), а вторая — новая (дочерняя).
*Доказано методом меченых атомов (Мезельсон и Сталь).

Правила комплементарности

Количество водородных связей

Т ДНК

═ А ═

У РНК

Аденин комплементарен тимину (синтез ДНК) и урацилу (синтез РНК).

Г ≡ Ц

Гуанин всегда комплементарен цитозину.

Снятие супервитков (топоизомеразой)

Фермент топоизомераза убирает витки ДНК.

Образование вилки геликазой и разрыв водородных связей

Фермент ДНК-хеликаза (геликаза) движется вдоль двойной спирали и разрывает водородные связи между азотистыми основаниями. Образуется Y-образная структура — репликативная вилка.

Фиксация одноцепочечных участков

Специальные SSB-белки держат репликационную вилку, чтобы она не сомкнулась.

Синтез РНК-затравок (праймеров)

Поскольку ферменты не могут начинать синтез цепи «с нуля», фермент праймаза синтезирует на матричных цепях короткие РНК-праймеры из РИБОнуклеотидов.

Синтез ДНК (элонгация)

Основной фермент ДНК-полимераза присоединяется к 3'-концу праймера и начинает добавлять нуклеотиды по принципу комплементарности (из ДЕЗОКСИрибонуклеотидов).

Синтез всегда идет строго от 5'- к 3'-концу новой цепи.
На лидирующей цепи синтез идет непрерывно.
На отстающей цепи синтез идет прерывисто — короткими участками (фрагментами Оказаки).

Удаление РНК-праймеров

Специальные ферменты вырезают РНК-затравки из обеих цепей.

Заполнение брешей

ДНК-полимераза достраивает участки ДНК на местах удаленных праймеров.

Сшивание фрагментов (лигирование)

Фермент ДНК-лигаза «сшивает» фрагменты Оказаки в единую цепь.

Спирализация новых цепей

Готовые двуцепочечные молекулы ДНК закручиваются обратно в спираль.

! Свойства генетического кода

Триплетность

Аминокислоту кодирует последовательность из 3 нуклеотидов.

Однозначность

Один кодон кодирует строго только одну аминокислоту.

Вырожденность

Одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов.

Универсальность

Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Неперекрываемость

Нуклеотид не может входить в состав двух соседних триплетов.

Непрерывность

Считывание кодонов идет без пропусков до стоп-кодона.

SVYAT | BIOCHEM

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК. Это первый этап биосинтеза белка.

Где протекает: У эукариот — в ядре, митохондриях и хлоропластах. У прокариот — в цитоплазме (нуклеоиде).

Главный фермент: РНК-полимераза. Она сама расплетает ДНК (отдельная хеликаза здесь не работает).

Энергетика: Реакция пластического обмена. Идет с затратой энергии АТФ.

РНК-полимераза Расплетает ДНК и строит цепь РНК.

Промотор Стартовый участок ДНК, связывающий фермент.

Терминатор Участок ДНК, сигнализирующий об окончании синтеза.

Строение гена и типы цепей

Смысловая цепь (5' → 3')

Не участвует напрямую в синтезе, её код совпадает с будущей РНК (только вместо Т стоит У).

Матричная цепь (3' → 5')

По ней фермент строит РНК комплементарно и антипараллельно.
ВАЖНО: Новая РНК всегда синтезируется от 5' к 3' концу!

Принцип комплементарности (Транскрипция)

Т ДНК

➞

А РНК

А ДНК

➞

У РНК

Г ДНК

➞

Ц РНК

Ц ДНК

➞

Г РНК

Главное правило: Напротив аденина (А) ДНК всегда встает урацил (У) РНК!

Матричная ДНК 3'-ТАЦГГА-5'

⬇

Синтез иРНК 5'-АУГЦЦУ-3'

Важно

Последовательность

Инициация (связывание с промотором)

Присоединение РНК-полимеразы к промотору гена на ДНК.

Раскручивание спирали

Локальное раскручивание ДНК и разрыв водородных связей.

Элонгация (синтез пре-иРНК)

Движение фермента по матричной цепи от 3'- к 5'-концу.

Свободные рибонуклеотиды присоединяются комплементарно.
Синтез РНК идет строго от 5'- к 3'-концу.

Терминация (завершение)

Достижение терминатора. Отделение пре-иРНК и фермента.

Сплайсинг (у эукариот)

Вырезание интронов и сшивание экзонов.

⚠️ ВАЖНО: У бактерий нет сплайсинга!

Выход из ядра

Выход зрелой иРНК через ядерные поры в цитоплазму.

ℹ️ Типы РНК

Важно: Все виды РНК синтезируются транскрипцией на матрице ДНК.

иРНК / мРНК Информационная

Функция: переносит чертеж белка от гена ДНК к рибосоме.

тРНК Транспортная

Функция: транспорт аминокислот из цитоплазмы в рибосому.

рРНК Рибосомная

Функция: вместе с белками образует рибосомы.

🦠 Обратная транскрипция

Синтез молекулы ДНК на матрице вирусной РНК (например, у ВИЧ). Катализируется ферментом ревертазой. Позволяет вирусу встроить свой геном в ДНК хозяина.

SVYAT | BIOCHEM

Трансляция — сборка белка (полипептида) из аминокислот по инструкции, записанной в иРНК.

Локализация: В цитоплазме (на свободных рибосомах или ЭПС), в митохондриях и хлоропластах.

Чтение: Рибосома читает иРНК строго от 5'- к 3'-концу.

Участники процесса

иРНК

Матрица (чертеж) гена.

Рибосомы

Станки, собирающие белок.

тРНК

Переносчики аминокислот.

Аминокислоты

Строительные блоки.

АТФ

Источник энергии.

Шпаргалка

Краткая последовательность

Готовая иРНК выходит из ядра в цитоплазму.

К иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы.

Подходит первая тРНК с аминокислотой метионин (старт-кодон АУГ).

Присоединяется большая субъединица рибосомы.

Приходит вторая тРНК со своей аминокислотой.

Образуется пептидная связь.

Рибосома делает «шаг» вперед на один триплет.

Цикл повторяется, цепь белка удлиняется.

Рибосома доходит до стоп-кодона. Остановка.

Готовый белок отсоединяется, рибосома распадается.

Полная последовательность

Активация аминокислот

Ферменты присоединяют нужную аминокислоту к тРНК (затрата АТФ).

Инициация (Начало синтеза)

Связывание иРНК с малой субъединицей.
Поиск старт-кодона (АУГ).
Присоединение первой тРНК (метионин).
Сборка большой субъединицы.

Элонгация (Удлинение цепи)

Прибытие новой тРНК.
Образование пептидной связи.
Транслокация: шаг рибосомы на 3 нуклеотида (к 3'-концу).
Отсоединение пустой тРНК, цикл повторяется.

Терминация (Остановка синтеза)

Достижение стоп-кодонов: УАА, УАГ или УГА.
Важно: Они не кодируют аминокислоты!
Готовая цепь высвобождается, рибосома распадается.

⚠️ Ультра-важные моменты

📌 Антипараллельность кодона и антикодона

Связывание кодона иРНК и антикодона тРНК происходит антипараллельно. Если иРНК читается 5' → 3', то антикодон связывается: 3' → 5'.

📌 Где синтезируется белок и куда он идет?

В цитоплазме: белок остается внутри клетки для её нужд.
На шероховатой ЭПС: синтезируется в каналы, затем едет в аппарат Гольджи на экспорт.

📌 Полисома (полирибосома)

Комплекс из одной иРНК и множества работающих на ней рибосом. Позволяет быстро создать много копий одного белка.

ПРАКТИКА

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Базовое соотношение процессов

ДНК (транскр.) 3 нуклеотида
= 1 триплет

Молекула иРНК 1 кодон

Молекулы тРНК 1 антикодон

Белок 1 аминокисл.

ПРИМЕР: 30 НУКЛЕОТИДОВ = 10 ТРИПЛЕТОВ (ДНК) = 10 КОДОНОВ (ИРНК) = 10 АНТИКОДОНОВ (ТРНК) = 10 АМИНОКИСЛОТ

Алгоритм перевода

ДНК
смысловая

5' А Т Г 3'

ДНК
транскриб.

3' Т А Ц 5'

обр.
транск.

Вирусная РНК

5' А У Г 3'

транскрипция

иРНК
(кодон)

5' А У Г 3'

Метионин

тРНК
(антикодон)

3' У А Ц 5'

📝 Задачи на соотношение

Задача №1Из нуклеотидов в белок

Фрагмент матричной РНК содержит 312 нуклеотидов. Какое количество аминокислот кодирует данный фрагмент? В ответе запишите только соответствующее число.

Решение:

По правилу матричного биосинтеза: 1 аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (1 кодоном).
Делим общее количество нуклеотидов в иРНК на 3: 312 / 3 = 104.

Ответ: 104

Задача №2Кодоны и тРНК

Белок состоит из 45 аминокислот. Сколько кодонов иРНК и молекул тРНК участвовало в его синтезе (без учета стоп-кодона)?

Решение:

Каждую аминокислоту к рибосоме приносит строго одна молекула тРНК. Значит, молекул тРНК = 45.
Каждая аминокислота кодируется одним кодоном на иРНК. Значит, количество кодонов тоже равно 45.

Ответ: 45 кодонов, 45 молекул тРНК

Задача №3Аминокислоты и триплеты ДНК

Определите количество триплетов во фрагменте смысловой цепи ДНК, кодирующих фрагмент полипептида, содержащий 24 аминокислоты.

Решение:

Каждая аминокислота кодируется одной тройкой нуклеотидов (1 кодоном иРНК = 1 триплетом ДНК).
Значит количество триплетов равно количеству аминокислот: 24. Неважно, смысловая это цепь или матричная.

Ответ: 24

Задача №4Расчет двух цепей ДНК

В трансляции участвовало 30 молекул тРНК. Определите количество нуклеотидов в двухцепочечном фрагменте ДНК, кодирующем этот белок.

Решение:

Раз было 30 молекул тРНК, значит белок состоит из 30 аминокислот.
Каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами. Считаем нуклеотиды в матричной цепи ДНК: 30 × 3 = 90 нуклеотидов.
Так как молекула ДНК состоит из двух цепей, умножаем на два: 90 × 2 = 180 нуклеотидов.

Ответ: 180

Задача №5 (Ловушка) 🚨Количество молекул

Сколько молекул иРНК участвует в биосинтезе фрагмента полипептида из 82 аминокислот? И сколько антикодонов содержит одна молекула тРНК, состоящая из 75 нуклеотидов?

Осторожно, здесь не нужно ничего вычислять!

Независимо от того, какой длины строится белок, матрицей всегда выступает ОДНА молекула иРНК.
Молекула тРНК имеет форму клеверного листа, но на её верхушке расположен строго ОДИН антикодон.

Ответ: 1 молекула иРНК, 1 антикодон

🧮 Правило Чаргаффа

В двуцепочечной молекуле ДНК количество Аденина всегда равно количеству Тимина (А = Т), а количество Гуанина равно количеству Цитозина (Г = Ц). Сумма всех нуклеотидов равна 100%.
Отсюда: А + Г = 50% и Т + Ц = 50%.

Задача №6Комплементарность матриц

Во фрагменте матричной цепи ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 26%. Определите долю (%) нуклеотидов с урацилом в молекуле иРНК, которая была синтезирована с данной цепи ДНК.

Решение:

Молекула иРНК синтезируется по матричной цепи ДНК по принципу комплементарности.
Напротив Аденина (А) на матрице ДНК всегда встает Урацил (У) на иРНК.
Следовательно, количество этих нуклеотидов полностью совпадает. Раз аденина 26%, то и урацила будет 26%.

Ответ: 26

Задача №7Расчет точного количества

Фрагмент ДНК эукариотического организма, включающий 800 нуклеотидов, содержит 150 нуклеотидов с тимином. Определите количество нуклеотидов с гуанином в данном фрагменте.

Решение:

По принципу комплементарности количество тимина равно количеству аденина: А = Т = 150 шт.
Суммарное количество А и Т в молекуле: 150 + 150 = 300 шт.
Находим количество оставшихся нуклеотидов (Г и Ц): 800 − 300 = 500 шт.
Так как Г = Ц, делим это число на два: 500 / 2 = 250 шт.

Ответ: 250

Задача №8 (Ловушка) 🚨Особая внимательность

В молекуле ДНК на долю аденина приходится 15%. Какова доля урацила в этой молекуле?

Это классическая ловушка для невнимательных!

В состав ДНК входят нуклеотиды с аденином, тимином, гуанином и цитозином. Урацил встречается ТОЛЬКО в молекулах РНК (он заменяет там тимин). Следовательно, в молекуле ДНК урацила быть не может.

Ответ: 0

🧬 Таблица генетического кода

Кодоны читаются по иРНК от 5' к 3' концу.
1. Левый столбец (1 буква) → 2. Верхняя строка (2 буква) → 3. Правый столбец (3 буква).

Первое основание	Второе основание				Третье основание
Первое основание	У	Ц	А	Г	Третье основание
У	ФенФенЛейЛей	СерСерСерСер	ТирТир--	ЦисЦис-Три	У
					Ц
					А
					Г
Ц	ЛейЛейЛейЛей	ПроПроПроПро	ГисГисГлнГлн	АргАргАргАрг	У
					Ц
					А
					Г
А	ИлеИлеИлеМет	ТреТреТреТре	АснАснЛизЛиз	СерСерАргАрг	У
					Ц
					А
					Г
Г	ВалВалВалВал	АлаАлаАлаАла	АспАспГлуГлу	ГлиГлиГлиГли	У
					Ц
					А
					Г