Синтез нуклеиновых кислот из мононуклеотидов

Нуклеиновые кислоты (НК) являются полимерами. Поэтому их синтез представляет собой цепочку реакций полимеризации мононуклеотидов. В ходе этих реакций идет постепенное удлинение полинуклеотидной цепи.

Субстратами для синтеза являются мононуклеотиды в трифосфатной форме, они же являются источниками энергии (содержат макроэргические связи). В ходе синтеза отщепляется ФФ и происходит освобождение энергии. В общем вид процесс выглядит так:

Образуется 3’,5’-фосфодиэфирная связь. Выделяющийся пирофосфат (ФФ) разрушается пирофосфатазой.

Для синтеза нуклеиновых кислот, помимо субстратов и ферментов, обязательно нужна матрица, которая определяет порядок присоединения субстратов – мононуклеотидов (комплементарность к нуклеотидам ДНК).

Ферменты синтеза РНК – РНК-полимеразы, ДНК – ДНК-полимеразы. Полимеразы относятся к классу синтетаз. Их биосинтез контролируют сами субстраты – нкуклеиновые кислоты.

Несмотря на общий механизм действия, между РНК-полимеразами и ДНК-полимеразами существуют важные отличия:

1) ДНК полимераза не может начать синтез, а только удлиняет уже имеющийся полинуклеотидный фрагмент. Для начала синтеза необходима особая РНК-полимераза – праймаза, синтезирующая праймеры (затравки).

2) ДНК-полимеразные реакции протекают на протяжении всей матрицы: образуется комплементарная молекула ДНК. РНК-полимеразы действуют только на определенных участках нити ДНК – от промоторов до терминаторов (промоторы указывают на начало транскрипции, терминаторы - на ее окончание).

Образующаяся молекула ДНК является готовым продуктом, а продукт действия РНК-полимераз – только первичный транскрипт (высокомолекулярный предшественник зрелой РНК). После его синтеза происходит целая серия реакций посттранкрипционной модификации РНК. Осуществляется тремя группами ферментов:

1) Специфические эндонуклеазы. Их действие приводит к фрагментации первичного транскрипта.

2) Ферменты, способные образовывать 3’,5’-фосфодиэфирные связи – лигазы, которые сшивают фрагменты.

Действие специфических эндонуклеаз и лигаз обозначается термином «сплайсинг».

Затем вступает в действие фермент, присоединяющий к каждой молекуле и-РНК «кэп»-фрагмент – 3-метилГТФ, а также фермент полиаденилатполимераза, присоединяющий АТФ к 3'-концу молекулы (полиаденилирование).

3) Ферменты, которые осуществляют преобразование азотистых оснований в составе РНК (метилирование аденина, гуанина, восстановление урацила до дигидроурацила, дезаминирование азотистых оснований. Модифицированные таким образом продукты известны как минорные азотистые основания. Они служат как для защиты РНК от действия нуклеаз, так и для формирования высших структур РНК. В наибольшем количестве минорные азотистые основания находятся в составе транспортной-РНК (т-РНК). Минорные азотистые основания не образуют комплементарных пар, поэтому наблюдается образование петель.

В организме человека встречаются следующие полимеразы:

ДНК-ПОЛИМЕРАЗЫ:

- альфа-ДНК-полимеразы отвечают за синтез основной цепи;

- бета-ДНК-полимеразы восстанавливают поврежденные участки ДНК;

- гамма-ДНК полимеразы - митохондриальные ферменты, содержатся в митохондиях и осуществляют репликацию митохондриальной ДНК.

РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ:

I - участвуют в синтезе транспортной РНК (т-РНК). При синтезе транспортной РНК (т-РНК) к концу каждой молекулы присоединяется последовательность из трех мононуклеотидов: ЦМФ-ЦМФ-АМФ (ЦЦА). Эта последовательность необходима для присоединения аминокислоты к т-РНК.

II - участвуют в синтезе информационной (матричной) РНК(и-РНК, м-РНК);

III - участвуют в синтезе остальных видов РНК.

Ингибитором РНК-полимеразы-II является пептид L-амонитин. Встречается в ядовитых грибах Amonyta(бледная поганка).

Синтез ДНК называется репликацией. Направление фосфодиэфирных связей одной из синтезируемых полинуклеотидных цепей ДНК совпадает с направлением синтеза (5'--->3'), поэтому она синтезируется непрерывно и сразу целиком. А у другой - не совпадает (3'--->5'). Поэтому она синтезируется частями. Эти части называются "фрагменты Оказаки". Синтезировать фрагменты Оказаки de novo (с нуля) ДНК-полимеразы не могут, поэтому для синтеза каждого фрагмента нужна "затравка" - праймер. Праймер - это кусочек цепи РНК. Синтез праймеров катализируют специальные ферменты - праймазы (это один из вариантов РНК-полимераз). Синтез РНК происходит на определенных участках молекулы ДНК и называется транскрипцией. В цепи ДНК существуют специальные участки:. При транскрипции образуется высокомолекулярный предшественник РНК - первичный транскрипт. Затем здесь же, в ядре клетки, идет постсинтетическая модификация РНК - сплайсинг. Этот процесс катализируют ферменты эндонуклеазы - из первичного транскрипта вырезаются интроны. Оставшиеся экзоны сшиваются РНК-лигазами. Далее к 5'-концу молекулы РНК присоединяется 7-метил-ГТФ (КЭП-фрагмент)- этот процесс называется "кэпирование". К 3'-концу присоединяется полиадениловый "хвост" (полиАМФ) - реакцию катализирует.

Особенностью посттранскрипционной модификации рибосомальной РНК (р-РНК) является метилирование азотистых оснований.