К реакциям матричного синтеза не относится. Синтез белка в клетке
1. Объясните последовательность передачи генетической информации: ген - белок - признак.
2. Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Как закодирована эта структура в молекуле ДНК?
3. Что представляет собой генетический код?
4. Охарактеризуйте свойства генетического кода.
7. Реакции матричного синтеза. Транскрипция
Информация о белке записана в виде нуклеотидной последовательности в ДНК и находится в ядре. Собственно синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, для синтеза белка необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная, или матричная, РНК, которая передает информацию с определенного гена молекулы ДНК к месту синтеза белка на рибосомы.
Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку аминокислот к месту синтеза и определение их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК, которые обеспечивают кодирование и доставку аминокислот к месту синтеза. Синтез белка протекает на рибосомах, тело которых построено из рибосомальных РНК. Значит, необходим еще один вид РНК - рибосомальные.
Генетическая информация реализуется в трех типах реакций: синтезе РНК, синтезе белка, репликации ДНК. В каждом из них информация, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой линейной последовательности: либо нуклеотидов (в молекулах РНК или ДНК), либо аминокислот (в молекулах белка). Экспериментально было доказано, что именно ДНК служит матрицей для синтеза всех нуклеиновых кислот. Эти реакции биосинтеза носят название матричного синтеза. Достаточная простота матричных реакций и их одномерность позволили подробно изучить и понять их механизм, в отличие от других процессов, протекающих в клетке.
Транскрипция
Процесс биосинтеза РНК на ДНК называется транскрипцией. Этот процесс протекает в ядре. На матрице ДНК синтезируются все виды РНК - информационная, транспортная и рибосомальная, которые впоследствии участвуют в синтезе белка. Генетический код на ДНК в процессе транскрипции переписывается на информационную РНК. В основе реакции лежит принцип комплементарности.
Синтез РНК имеет ряд особенностей. Молекула РНК значительно короче и является копией только небольшого участка ДНК. Поэтому матрицей служит только определенный участок ДНК, где находится информация о данной нуклеиновой кислоте. Вновь синтезированная РНК никогда не остается связанной с исходной ДНК-матрицей, а освобождается после окончания реакции. Процесс транскрипции протекает в три этапа.
Первый этап - инициация - начало процесса. Синтез РНК-копий начинается с определенной зоны на ДНК, которая называется промотором. Эта зона содержит определенный набор нуклеотидов, которые являются старт-сигналами. Процесс катализируется ферментами РНК-полимеразами. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотором, раскручивает двойную спираль и разрушает водородные связи между двумя цепями ДНК. Но только одна из них служит матрицей для синтеза РНК.
Второй этап - элонгация. В эту стадию происходит основной процесс. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды (рис. 19). Фермент РНК-полимераза, шаг за шагом продвигаясь по цепи ДНК, соединяет нуклеотиды между собой, одновременно постоянно раскручивая дальше двойную спираль ДНК. В результате такого движения синтезируется РНК-копия.
Третий этап - терминация. Это завершающая стадия. Синтез РНК продолжается до стоп-сигнала - определенной последовательности нуклеотидов, которая прекращает движение фермента и синтез РНК. Полимераза отделяется от ДНК и синтезированной РНК-копии. Одновременно с матрицы снимается и молекула РНК. ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершен. В зависимости от участка ДНК таким способом синтезируются рибосомальные, транспортные, информационные РНК.
Матрицей для транскрипции молекулы РНК служит только одна из цепей ДНК. Однако матрицей двух соседних генов могут служить разные цепи ДНК. Какая из двух цепей будет использоваться для синтеза, определяется промотором, который направляет фермент РНК-полимеразу в том или ином направлении.
После транскрипции молекула информационной РНК эукариотических клеток подвергается перестройке. В ней вырезаются нуклеотидные последовательности, которые не несут информацию о данном белке. Этот процесс называется сплайсингом. В зависимости от типа клетки и стадии развития могут быть убраны разные участки молекулы РНК. Следовательно, на одном участке ДНК синтезируются разные РНК, которые несут информацию о различных белках. Это обеспечивает передачу значительной генетической информации с одного гена, а также облегчает генетическую рекомбинацию.
Рис. 19. Синтез информационной РНК. 1 - цепь ДНК; 2 - синтезируемая РНК
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какие реакции относятся к реакциям матричного синтеза?
2. Что является исходной матрицей для всех реакций матричного синтеза?
3. Как называется процесс биосинтеза иРНК?
4. Какие виды РНК синтезируются на ДНК?
5. Установите последовательность фрагмента иРНК, если соответствующий фрагмент на ДНК имеет последовательность: ААГЦТЦТГАТТЦТГАТЦГГАЦЦТААТГА.
8. Биосинтез белка
Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов. Это единственные компоненты клетки (кроме нуклеиновых кислот), синтез которых осуществляется под прямым контролем генетического материала клетки. Весь генетический аппарат клетки - ДНК и разные виды РНК - настроен на синтез белков.
Ген - это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка. Для синтеза белка необходимо, чтобы определенный ген с ДНК был скопирован в виде молекулы информационной РНК. Этот процесс был рассмотрен ранее. Синтез белка представляет собой сложный многоэтапный процесс и зависит от деятельности различных видов РНК. Для непосредственного биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:
1. Информационная РНК - переносчик информации от ДНК к месту синтеза. Молекулы иРНК синтезируются в процессе транскрипции.
2. Рибосомы - органоиды, где происходит синтез белка.
3. Набор необходимых аминокислот в цитоплазме.
4. Транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы.
5. АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процессы кодирования аминокислот и синтеза полипептидной цепи.
Строение транспортной РНК и кодирование аминокислот
Транспортные РНК (тРНК) представляют собой небольшие молекулы с количеством нуклеотидов от 70 до 90. На долю тРНК приходится примерно 15 % всех РНК клетки. Функция тРНК зависит от ее строения. Изучение структуры молекул тРНК показало, что они свернуты определенным образом и имеют вид клеверного листа (рис. 20). В молекуле выделяются петли и двойные участки, соединенные за счет взаимодействия комплементарных оснований. Наиболее важной является центральная петля, в которой находится антикодон - нуклеотидный триплет, соответствующий коду определенной аминокислоты. Своим антикодоном тРНК способна соединяться с соответствующим кодоном на иРНК по принципу комплементарности.
Рис. 20. Строение молекулы тРНК: 1 - антикодон; 2 - место присоединения аминокислоты
Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот. Значит, для каждой аминокислоты имеется по меньшей мере одна тРНК. Так как аминокислота может иметь несколько триплетов, то и количество видов тРНК равно числу триплетов аминокислоты. Таким образом, общее число видов тРНК соответствует числу кодонов и равно 61. Трем стоп-кодам не соответствует ни одна тРНК.
На одном конце молекулы тРНК всегда находится нуклеотид гуанин (5"-конец), а на другом (3"-конце) всегда три нуклеотида ЦЦА. Именно к этому концу идет присоединение аминокислоты (рис. 21). Каждая аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК с соответствующим антикодоном. Механизм этого присоединения связан с работой специфических ферментов - аминоацил-тРНК-синтетазами, которые присоединяют каждую аминокислоту к соответствующей тРНК. Для каждой аминокислоты имеется своя синтетаза. Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется за счет энергии АТФ, при этом макроэргическая связь переходит в связь между тРНК и аминокислотой. Так происходит активирование и кодирование аминокислот.
Этапы биосинтеза белка. Процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме, называется трансляцией. Информационная РНК (иРНК) является посредником в передаче информации о первичной структуре белка, тРНК переносит закодированные аминокислоты к месту синтеза и обеспечивает последовательность их соединений. В рибосомах осуществляется сборка полипептидной цепи.
При реакциях матричного синтеза образуются полимеры, строение которых полностью определяется строением матрицы. В основе реакций матричного синтеза лежит комплементарное взаимодействие между нуклеотидами.
Репликация (редупликация, удвоение ДНК).
Матрица – материнская цепочка ДНК
Продукт –новосинтезированная цепочка дочерней ДНК
Комплементарность между нуклеотидами материнской и дочерней цепочек ДНК.
Двойная спираль ДНК раскручивается на две одинарных, затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности.
Транскрипция (синтез РНК).
Матрица – кодирующая цепочка ДНК
Продукт – РНК
Комплементарность между нуклеотидами кДНК и РНК.
В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой.
Трансляция (синтез белка).
Матрица – иРНК
Продукт – белок
Комплементарность между нуклеотидами кодонов иРНК и нуклеотидами антикодонов тРНК, приносящих аминокислоты.
Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок.
Этапы биосинтеза белка у прокариот и эукариот.
У прокариот синтез белка осуществляется в 2 этапа:
1) транскрипция, продукт этой реакции – мРНК;
2) трансляция, продукт этой реакции – полипептид.
Эти этапы могут протекать одновременно т. к. в клетке нет ядерной оболочки.
Процесс синтеза белка у эукариот включает 3 этапа:
1) транскрипция ДНК в про-мРНК (продукт: про-мРНК);
2) процессинг – преобразование про-мРНК в зрелую мРНК;
3) трансляция мРНК в полипептид.
В некоторых случаях для получения активного белка необходимо его химическое преобразование, которое называется посттрансляционной модификацией .
Понятие транскриптона. Особености строения транскриптона у прокариот и эукариот.
Ген вместе со вспомогательными участками называется транскриптоном , следовательно, транскриптон является наименьшей функциональной единицей генома.
Типичный транскриптон содержит: промотор – сигнал начала транскрипции, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза; терминатор – сигнал окончания транскрипции; регуляторный участок – оператор , к которому присоединяются управляющие белки активаторы или репрессоры (соответственно облегчают и блокируют транскрипцию); структурный ген .
Строение транскриптона прокариот. У прокариот в состав транскриптона входит два участка: регуляторный и структурный . Эти участки составляют соответственно 10% и 90%. В регуляторном участке содержатся промотор, оператор и терминатор. Структурный участок может быть представлен одним либо несколькими структурными генами. В последнем случае они разделены несмысловыми участками – спейсерами. Такой транскриптон называется опероном .
У эукариот транскриптон также содержит регуляторный и структурный участки, относительная доля которых в противоположность прокариотам составляет 90% и 10%. Регуляторный участок включает несколько промоторов, операторов и терминаторов. Структурные гены могут находиться в разных частях одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Структурный участок транскриптона имеет прерывистое (мозаичное) строение: участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке (кодирующие или экзоны ) чередуются с некодирующими фрагментами (интронами ). Число интронов у различных организмов различно, но, как правило, суммарная длина интронов превышает общую длину экзонов.
Механизмы транскрипции.
Транскрипция – это процесс копирования участка ДНК в виде комплементарной ему про-мРНК (предшественник мРНК), происходит в ядре клетки. Он начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к промотору. ДНК на определенном участке раскручивается, происходит разрыв водородных связей между 2-мя цепями нуклеотидов, в результате образуются 2 отдельные полинуклеотидные цепи. К ним по принципу комплементарности из кариолимфы присоединяются свободные нуклеотиды. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды до тех пор, пока не доходит до кодонов-терминаторов. По окончании транскрипции ДНК восстанавливает исходную двуцепочечную структуру, про-мРНК транспортируются в цитоплазму.
1. удвоение ДНК
2. синтез рРНК
3. синтез крахмала из глюкозы
4. синтез белка в рибосомах
3. Генотип – это
1. набор генов в половых хромосомах
2. совокупность генов в одной хромосоме
3. совокупность генов в диплоидном наборе хромосом
4. набор генов в Х- хромосоме
4. У человека за гемофилию отвечает рецессивный аллель, сцепленный с полом. При браке женщины – носительницы аллеля гемофилии и здорового мужчины
1. вероятность рождения больных гемофилией мальчиков и девочек – 50%
2. 50% мальчиков будут больны, а все девочки – носительницы
3. 50% мальчиков будут больны, а 50% девочек – носительницы
4. 50% девочек будут больны, а все мальчики – носители
5. Наследование, сцепленное с полом – это наследование признаков, которые всегда
1. проявляются только у особей мужского пола
2. проявляются только у половозрелых организмов
3. определяются генами, находящимися в половых хромосомах
4. являются вторичными половыми признакам
У человека
1. 23 группы сцепления
2. 46 групп сцепления
3. одна группа сцепления
4. 92 группы сцепления
Носителями гена дальтонизма, у которых болезнь не проявляется, могут быть
1. только женщины
2. только мужчины
3. и женщины, и мужчины
4. только женщины с набором половых хромосом ХО
У зародыша человека
1. закладываются хорда, брюшная нервная цепочка и жаберные дуги
2. закладываются хорда, жаберные дуги и хвост
3. закладываются хорда и брюшная нервная цепочка
4. закладывается брюшная нервная цепочка и хвост
У плода человека кислород поступает в кровь через
1. жаберные щели
4. пуповинный канатик
Близнецовый метод исследования проводится путем
1. скрещивания
2. исследования родословной
3. наблюдений за объектами исследования
4. искусственного мутагенеза
8) Основы иммунологии
1. Антитела – это
1. клетки-фагоциты
2. молекулы белков
3. лимфоциты
4. клетки микроорганизмов, заражающих человека
При риске заражения столбняком (например, при загрязнении ран почвой) человеку вводят противостолбнячную сыворотку. Она содержит
1. белки-антитела
2. ослабленных бактерий-возбудителей столбняка
3. антибиотики
4. антигены бактерий столбняка
Материнское молоко обеспечивает иммунитет ребенка благодаря
1. макроэлементам
2. молочнокислым бактериям
3. микроэлементам
4. антителам
В лимфатические капилляры поступает
1. лимфа из лимфатических протоков
2. кровь из артерий
3. кровь из вен
4. межклеточная жидкость из тканей
Клетки-фагоциты присутствуют у человека
1. в большинстве тканей и органов тела
2. только в лимфатических сосудах и узлах
3. только в кровеносных сосудах
4. только в кровеносной и лимфатической системе
6. При каком их перечисленных процессов в организме человека синтезируется АТФ?
1. расщепление белков на аминокислоты
2. расщепление гликогена до глюкозы
3. расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты
4. бескислородное окисление глюкозы (гликолиз)
7. По своей физиологической роли большинство витаминов – это
1. ферменты
2. активаторы (кофакторы) ферментов
3. важный источник энергии для организма
4. гормоны
Нарушение сумеречного зрения и сухость роговицы глаз может быть признаком недостатка витамина
Репликация
Процесс редупликации ДНК идет в ядре под действием ферментов и специальных белковых комплексов. Принципы удвоения ДНК:
- * Антипараллельность : дочерняя цепь синтезируется в направлении от 5" к 3" концу.
- * Комплиментарность : строение дочерней нити ДНК определяется последовательностью нуклеотидов материнской нити, подбираются по принципу комплиментарности.
- * Полунепрерывность : одна из двух цепей ДНК - лидирующая , синтезируется непрерывно, а другая - запаздывающая , прерывисто с образованием коротких фрагментов Оказаки . Это происходит из-за свойства антипараллельности.
- * Полуконсервативность : молекулы ДНК, полученные в ходе редупликации, содержат одну консервативную материнскую нить и одну синтезированную дочернюю.
- 1) Инициация
Начинается с репликативной точки , к которой присоединяются белки, инициирующие репликацию. Под действием ферментов ДНК-топоизомеразы и ДНК-геликазы цепь раскручивается, и разрываются водородные связи. Далее идет фрагментарное разъединение двойной цепи ДНК с образованием репликационной вилки . Ферменты предотвращают повторное соединение цепей ДНК.
2) Элонгация
Синтез дочерней цепи ДНК идет за счет фермента ДНК-полимеразы , который движется в направлении 5" 3" , подбирая нуклеотиды по принципу комплиментарности. Лидирующая цепь синтезируется непрерывно, а запаздывающая - прерывисто. Фермент ДНК-лигаза соединяет между собой фрагменты Оказаки . Специальные корректирующие белки распознают ошибки и устраняют неправильные нуклеотиды.
3) Терминация
Окончание репликации происходит, если встречаются две репликационные вилки. Белковые компоненты снимаются, молекулы ДНК спирализуются.
Свойства генетического кода
- * Триплетен - каждую аминокислоту кодирует код из 3 нуклеотидов.
- * Однозначен - каждый триплет кодирует лишь определенную кислоту.
- * Вырожден - каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами (2-6). Лишь две из них кодируются одним триплетом: триптофан и метионин.
- * Неперекрываем - каждый кодон является самостоятельной единицей, а генетическая инф считывается только одним способом в одном направлении
- * Универсален - един для всех организмов. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных организмов.
Генетический код
Реализация наследственной информации идет по схеме ген-белок-признак.
Ген - участок молекулы ДНК, который несет информацию о первичной структуре одной молекулы белка и отвечает за ее синтез.
Генетический код - принцип кодирования наследственной инф в клетке. Представляет собой последовательность триплетов нуклеотидов в НК, которая задает определенный порядок аминокислот в белках. Инфа, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой последовательности.
Из 4 нуклеотидов можно составить 64 триплета , 61 из которых кодируют аминокислоты. Стоп-кодоны - триплеты УАА, УАГ, УГА прекращают синтез полипептидной цепи.
Старт-кодон - триплет АУГ определяет начало синтеза полипептидной цепи.
Биосинтез белка
Один из основных процессов пластического обмена веществ. Часть реакций протекает в ядре, другая - в цитоплазме. Необходимые компоненты: АТФ, ДНК, и-РНК, т-РНК, р-РНК, Mg 2+ , аминокислоты, ферменты. Состоит из 3 х процессов:
- - транскрипция : синтез иРНК
- - процессинг : превращение иРНК в мРНК
- - трансляция : синтез белка
ДНК содержит информацию о структуре белка в виде последовательности аминокислот, но поскольку гены не покидают ядра, то непосредственного участия в биосинтезе белковой молекулы не принимают. И-РНК синтезируется в ядре клетки по ДНК и переносит инф от ДНК к месту синтеза белка (рибосомам). Затем, с помощью т-РНК из цитоплазмы выбираются комплиментарные и-РНК аминокслоты. Таким образом синтезируются полипептидые цепи.
Транскрипция
1) Инициация
Синтез молекул иРНК по ДНК может протекать в ядре, митохондриях и пластидах. Под действием ферментов ДНК-геликазы и ДНК-топоизомеразы участок молекулы ДНК раскручивается , разрываются водородные связи. Считывание информации идет только с одной нити ДНК, которая называется кодирующей кодогенной . Фермент РНК-полимераза соединяется с промотером - зоной ДНК, которая содержит старт-сигнал ТАТА.
2) Элонгация
Процесс выстраивания нуклеотидов по принципу комплиментарности . РНК-полимераза продвигается по кодирующей цепи и соединяет между собой нуклеотиды, образуя полинуклеотидную цепь. Процесс продолжается до стоп-кодона .
3) Терминация
Окончание синтеза: фермент и синтезированная молекула РНК отделяеются от ДНК, двойная спираль ДНК восстанавливается.
Процессинг
Превращение молекулы иРНК в мРНК в ходе сплайсинга в ядре под действием ферментов. Идет удаление интронов -участков, не несущих инф об аминокислотной последовательности и сшивание экзонов - участков, кодирующих последовательность аминокислот. Далее идет присоединение стоп-кодона АУГ, кэпирование для 5" конца и полиаденилирование для защиты 3" конца. Образуется зрелая м-РНК, она короче и идет к рибосомам.
Трансляция
Процесс перевода нуклеотидной последовательности триплетов м-РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Идет в цитоплазме на рибосомах.
1) Инициация
Синтезированная мРНК через ядерные поры идет в цитоплазму, где с помощью ферментов и энергии АТФ соединяется с малой субъединицей рибосом. Затем инициаторная тРНК с аминокислотой метианин соединяется с пептидильным центром. Далее в присутствии Mg 2+ идет присоединение большой субъединицы.
2) Элонгация
Удлинение белковой цепи. Аминокислоты с помощью собственной тРНК доставляются к рибосомам. По форме молекулы т-РНК напоминают трилистник, на среднем из которых имеется антикодон , комплиментарный нуклеотидам кодона м-РНК. К противоположному основанию молекулы тРНК присоединяется соответствующая аминокислота.
Первая т-РНК закрепляется в пептидильном центре, а вторая - в аминоациальном . Затем аминокислоты сближаются и между ними образуется пептидная связь, возникает дипептид, первая т-РНК уходит в цитоплазму. После этого, рибосома делает 1 трехнуклеотидный шаг по м-РНК. В результате чего, вторая т-РНК оказывается в пептидильном центре, освобождая аминоацильный. Процесс присоединения аминокислокты идет с затратой энергии АТФ и требует наличия фермента аминоацил-т-РНК-синтетаза .
3) Терминация
Когда в аминоациальный центр попадает стоп-кодон, синтез завершается, и к последней аминокислоте присоединяется вода. Рибосома снимается с м-РНК и распадается на 2 субъединицы, т-РНК возвращается в цитоплазму.
Любая живая клетка способна синтезировать белки, и эта способность представляет одно из наиболее важных и характерных ее свойств. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты. Биосинтез белков идет интенсивно и во многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие, клетках, например в клетках пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин), или в клетках желез внутренней секреции, синтезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно денатурируются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, в результате состав и деятельность клетки не нарушаются. Способность к синтезу белка передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Сами ДНК непосредственного участия в синтезе не принимают. ДНК содержится в ядре клетки, а синтез белков происходит в рибосомах, находящихся в цитоплазме. В ДНК только содержится и хранится информация о структуре белков.
На длинной нити ДНК следует одна за другой запись информации о составе первичных структур разных белков. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК представляет собрание нескольких сот генов.
Чтобы разобраться в том, каким образом структура ДНК определяет структуру белка, приведем такой пример. Многие знают об азбуке Морзе, при помощи которой передают сигналы и телеграммы. По азбуке Морзе все буквы алфавита обозначены сочетаниями коротких и длинных сигналов - точкам и тире. Буква А обозначается.--, Б -- --. и т. д. Собрание условных обозначений называют кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой пример кода. Получив телеграфную ленту с точками и тире, знающий код Морзе легко расшифрует написанное.
Макромолекула ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех видов нуклеотидов, представляет собой код, определяющий структуру ряда молекул белка. Так же как в коде Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание последовательно связанных нуклеотидов.
Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность кода ДНК состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом состоящих нуклеотидов. Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистеину, Ц-А-А - валину и. т. д. Допустим, что в гене нуклеотиды следуют в таком порядке:
А-Ц-А-Т-Т-Т-А-А-Ц-Ц-А-А-Г-Г-Г
Разбив этот ряд на тройки (триплеты), мы сразу расшифруем, какие аминокислоты и в каком порядке следуют в молекуле белка: А-Ц-А - цистеин; Т-Т-Т - лизин; А-А-Ц - лейцин; Ц-А-А - валин; Г-Г-Г - пролин. В коде Морзе всего два знака. Для обозначения всех букв, всех цифр и знаков препинания приходится брать на некоторые буквы или цифры до 5 знаков. Код ДНК проще. Разных нуклеотидов 4. Число возможных комбинаций из 4 элементов по 3 равно 64. Разных аминокислот всего 20. Таким образом, различных триплетов нуклеотидов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.
Транскрипция. Для синтеза белка в рибосомы должна быть доставлена программа синтеза, т. е. информация о структуре белка, записанная и хранящаяся в ДНК. Для синтеза белка в рибосомы направляются точные копии этой информации. Это осуществляется с помощью РНК, которые синтезируются на ДНК и точно копируют ее структуру. Последовательность нуклеотидов РНК точно повторяет последовательность в одной из цепей гена. Таким образом, информация, содержащаяся в структуре данного гена, как бы переписывается на РНК. Этот процесс называют транскрипцией (лат. "транскрипция" - переписывание). С каждого гена можно снять любое число копий РНК. Эти РНК, несущие в рибосомы информацию о составе белков, называют информационными (и-РНК).
Для того чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения нуклеотидов в гене могут быть "переписаны" на РНК, вспомним принцип комплементарности, на основании которого построена двухспиральная молекула ДНК. Нуклеотиды одной цепи обусловливают характер противолежащих нуклеотидов другой цепи. Если на одной цепи находится А, то на том же уровне другой цепи стоит Т, а против Г всегда находится Ц. Других комбинаций не бывает. Принцип комплементарности действует и при синтезе информационной РНК.
Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный к нему нуклеотид информационной РНК (в РНК вместо тимидилового нуклеотида (Т) присутствует уридиловый нуклеотид (У). Таким образом, против Г днк встает Ц рнк, против А днк - У рнк, против Т днк - А рнк. В результате образующаяся цепочка РНК по составу и последовательности своих нуклеотидов представляет собой точную копию состава и последовательности нуклеотидов одной из цепей ДНК. Молекулы информационной РНК направляются к месту, где происходит синтез белка, т. е. к рибосомам. Туда же идет из цитоплазмы поток материала, из которого строится белок, т. е. аминокислоты. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты, образующиеся в результате расщепления белков пищи.
Транспортные РНК. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а в сопровождении транспортных РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК невелики - они состоят всего из 70-80 нуклеотидных звеньев. Их состав и последовательность для некоторых т-РНК уже установлены полностью. При этом выяснилось, что в ряде мест цепочки т-РНК обнаруживаются 4-7 нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. Наличие комплементарных последовательностей в молекуле приводит к тому, что эти участки при достаточном сближении слипаются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными нуклеотидами. В результате возникает сложная петлистая структура, напоминающая по форме листок клевера. К одному из концов молекулы т-РНК присоединяется аминокислота (Д), а в верхушке "листка клевера" находится триплет нуклеотидов (Е), который соответствует по коду данной аминокислоте. Так как существует не менее 20 различных аминокислот, то, очевидно, имеется не менее 20 различных т-РНК: на каждую аминокислоту - своя т-РНК.
Реакция матричного синтеза. В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, наподобие редупликации ДНК, или реакцией синтеза РНК. Такие реакции неизвестны в неживой природе. Их называют реакциями матричного синтеза.
Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.
Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке. Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.
Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.
Трансляция. Информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, переносится далее в виде последовательности аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. Этот процесс называют трансляцией. Для того чтобы разобраться в том, как в рибосомах происходит трансляция, т. е. перевод информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков, обратимся к рисунку. Рибосомы на рисунке изображены в виде яйцевидных тел, унизывающих и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Когда рибосома продвинется вперед на 50-100 А, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и т. д. Все они выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше вправо продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белковой молекулы "собран". Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком сходит с и-РНК. Затем они расходятся: рибосома - на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы), белковая молекула - в эндоплазматическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. Через короткое время заканчивает работу вторая рибосома, затем третья и т. д. А с левого конца и-РНК на нее вступают все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от длины и-РНК. Так, на молекуле и-РНК, которая программирует синтез белка гемоглобина и длина которой около 1500 А, помещается до пяти рибосом (диаметр рибосомы приблизительно равен 230 А). Группу рибосом, помещающуюся одновременно на одной молекуле и-РНК, называют полирибосомой.
Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосомы. Рибосома во время движения по и-РНК в каждый данный момент находится в контакте с небольшим учаством ее молекулы. Возможно, размер этого участка составляет всего один триплет нуклеотидов. Рибосома передвигается по и-РНК не плавно, а прерывисто, "шажками", триплет за триплетом. На некотором расстоянии от места контакта рибосомы с и - РЕК находится пункт "сборки" белка: здесь помещается и работает фермент белок - синтетаза, создающий полипептидную цепь, т. е. образующий пептидные связи между аминокислотами.
Сам механизм "сборки" белковой молекулы в рибосомах осуществляется следующим образом. В каждую рибосому, входящую в состав полирибосомы, т. е. движущуюся по и-РНК, из окружающей среды непрерывным потоком идут молекулы т-РНК с "навешанными" на них аминокислотами. Они проходят, задевая своим кодовым концом место контакта рибосомы с и-РНК, который в данный момент находится в рибосоме. Противоположный конец т-РНК (несущий аминокислоту) оказывается при этом вблизи пункта "сборки" белка. Однако только в том случае, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным к триплету и-РНК (находящемуся в данный момент в рибосоме), аминокислота, доставленная т-РНК, попадет в состав молекулы белка и отделится от т-РНК. Тотчас же рибосома делает "шаг" вперед по и-РНК на один триплет, а свободная т-РНК выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и-РНК рибосома и растет звено за звеном - полипептидная цепь. Так работает рибосома - этот органоид клетки, который с полным правом называют "молекулярным автоматом" синтеза белка.
В лабораторных условиях искусственный синтез белка требует огромных усилий, много времени и средств. А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается в 1-2 мин.
Роль ферментов в биосинтезе белка. Не следует забывать, что ни один шаг в процессе синтеза белка не идет без участия ферментов. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами. Синтез и-РНК ведет фермент, который ползет вдоль молекулы ДНК от начала гена до его конца и оставляет позади себя готовую молекулу и-РНК. Ген в этом процессе дает только программу для синтеза, а сам процесс осуществляет фермент. Без участия ферментов не происходит и соединения аминокислот с т-РНК. Существуют особые ферменты, обеспечивающие захват и соединение аминокислот с их т-РНК. Наконец, в рибосоме в процессе сборки белка работает фермент, сцепляющий аминокислоты между собой.
Энергетика биосинтеза белка. Еще одной очень важной стороной биосинтеза белка является его энергетика. Любой синтетический процесс представляет собой эндотермическую реакцию и, следовательно, нуждается в затрате энергии. Биосинтез белка представляет цепь синтетических реакций: 1) синтез и-РНК; 2) соединение аминокислот с т-РНК; 3) "сборку белка". Все эти реакции требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка доставляется реакцией расщепления АТФ. Каждое звено биосинтеза всегда сопряжено с распадом АТФ.
Компактность биологической организации. При изучении роли ДНК выяснилось, что явление записи, хранения и передачи наследственной информации осуществляется на уровне молекулярных структур. Благодаря этому достигается поразительная компактность "рабочих механизмов", величайшая экономичность их размещения в пространстве. Известно, что содержание ДНК в одном сперматозоиде человека равно 3.3Х10 -12 степени г ДНК содержится вся информация, определяющая развитие человека. Подсчитано, что все оплодотворенные яйцеклетки, из которых развились все люди, живущие ныне на Земле, содержат столько ДНК, сколько ее умещается в объеме булавочной головки.