Текст книги "Обмен веществ и энергии в клетках организма"

Автор книги: Рената Петросова

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

6. Генетический код остановилась

Гены и ДНК

Способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации связана с генетической информацией.

Гены — наследственные факторы, представляющие собой определенный набор последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в которых хранится информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом. Носителями наследственной информации являются хромосомы, состоящие из молекул ДНК.

Долгое время ученые считали, что передача генетической информации осуществляется белками, так как это единственные вещества, обладающие структурным разнообразием. Многочисленные исследования бактерий и вирусов показывали несостоятельность этой теории.

Открытая Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двойная спираль молекулы ДНК привлекла к себе пристальное внимание ученых. Были высказаны предположения, что две цепи ДНК способны раскручиваться и служить матрицей для синтеза новых молекул. Модель Уотсона и Крика помогла сформулировать общие принципы процесса передачи генетической информации от клетки к клетке, от организма к организму.

Генетический код

Специфичность каждой клетки определяется набором белков. Они составляют половину всей массы клетки, выполняют разнообразные и многочисленные функции, обеспечивают рост, развитие, дифференциацию клеток, поддержание их структуры и функций.

Вся многочисленная наследственная информация записана на ДНК в виде линейной последовательности четырех типов нуклеотидов – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц). Генетическая информация записана четырехбуквенным алфавитом. Последовательность нуклеотидов на ДНК определяет соответствующее информационное содержание. Число различных последовательностей в молекуле ДНК составляет 4ⁿ, где п – это число нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК. Величина п очень велика. Так, например, ДНК в клетке животного обычно содержит 3 · 10⁹ нуклеотидов. Как же клетка осуществляет перевод последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность аминокислот белка?

Правила перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называются генетическим кодом. Он был расшифрован в 60-х гг. XX в.

В результате ряда экспериментов и математических расчетов было определено, что одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Всего в молекуле ДНК встречаются 4 типа нуклеотидов. Если бы аминокислоте соответствовал один нуклеотид, то закодировать можно было бы только 4 аминокислоты. Но этого мало, так как в клетке имеется 20 аминокислот. Если предположить, что одна аминокислота кодируется сочетанием из двух нуклеотидов, то 4² = 16, т. е. можно закодировать 16 аминокислот. Тогда 4 аминокислоты не имеют шансов попасть в белок. Следовательно, одну аминокислоту кодируют три нуклеотида: 4³ = 64.

64 кодов с избытком хватает для 20 аминокислот. В этом случае каждая аминокислота кодируется не одним, а, возможно, несколькими кодами. Экспериментальная проверка подтвердила высказанные предположения. В результате многочисленных исследований были установлены следующие свойства генетического кода.

1. Код триплетен — каждой аминокислоте соответствует сочетание из трех нуклеотидов. Всего таких сочетаний – кодонов 64. Из них 61 кодон смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кодона – бессмысленные стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.

2. Код однозначен – каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Код вырожден – каждая аминокислота имеет более чем один кодон. Например, аминокислота глицин имеет 4 кодона: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Чаще аминокислоты имеют 2 кодона.

4. Код универсален – все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.

5. Код непрерывен – между кодами нет промежутков.

6. Код неперекрываем – конечный нуклеотид одного кодона не может служить началом другого.

Таблица генетического кода

Вопросы и задания для самоконтроля

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.

Рис. 21. Активирование и кодирование аминокислоты: 1 – тРНК; 2 – аминокислота

В рибосоме имеются три центра, с которыми связываются молекулы РНК: один центр для иPHК и два – для тРНК. Одна тРНК с аминокислотой удерживается в аминоацильном центре, а другая – в пептидном центре, где идет рост полипептидной цепи.

Первый этап – инициация. Синтезированная в процессе транскрипции иPHК выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка – рибосоме. За счет различных белковых факторов и энергии АТФ происходит соединение иPHК и двух субъединиц рибосом, которые до этого момента находились в диссоциированном состоянии. Прежде чем рибосома начнет синтез полипептидной цепи, к иРНК должна присоединиться особая молекула – инициаторная тРНК с аминокислотой. С нее всегда начинается синтез белка. По принципу комплементарности тРНК своим антикодоном соединяется с кодоном на иРНК и входит в рибосому. Этот кодон на иPHК называется старт-кодоном.

В результате взаимодействия всех компонентов образуется комплекс: рибосома – иРНК – тРНК-инициатор – аминокислота.

Вторая стадия – элонгация. Это стадия роста полипептидной цепи. Далее начинается сборка полипептидной цепи. Следующая тРНК с аминокислотой по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяется с иPHК и входит в рибосому. Первая тРНК закрепляется в пептидном центре, а вторая тРНК – с аминокислотой в аминоацильном центре. Аминокислоты сближаются друг с другом, между ними возникает пептидная связь, и образуется дипептид. При этом первая тРНК освобождается и, покидая рибосому, тянет за собой иPHК, которая продвигается на один триплет.

Вторая тРНК с дипептидом перемещается в пептидный центр, а в рибосому входит третья тРНК с аминокислотой (рис. 22). Весь процесс далее вновь и вновь повторяется. иРНК, последовательно продвигаясь через рибосому, каждый раз вносит новую тРНК с аминокислотой и выносит освободившуюся тРНК. Постепенно идет наращивание полипептидной цепи. Весь процесс обеспечивается деятельностью ферментов и энергией макроэргических соединений (АТФ и др.).

Рис. 22. Схема биосинтеза полипептидной цепи. Стрелкой показано направление движения иPHК

Последний этап – терминация. Как только в аминоацильный центр попадает стоп-кодон, синтез прекращается. Место тРНК занимает в этом случае специфический белок-фермент, который осуществляет гидролиз связи между последней тРНК и синтезированным белком. Рибосома снимается с иPHК и распадается на две субъединицы, последняя тРНК также освобождается и попадает вновь в цитоплазму. Синтезированная молекула белка поступает в ЭПС или цитоплазму, где претерпевает изменения и приобретает соответствующие структуры.

Процесс трансляции обычно осуществляется многократно. Одна иPHК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя поли рибосому.; или полисому, на которой идет одновременно синтез многих молекул одного белка (рис. 23).

Рис. 23. Полисома: 1 – иPHК; 2 – малая субъединица рибосомы; 3 – большая субъединица рибосомы; 4 – синтезируемая полипептидная цепь

Если синтез происходит на гранулярной эндоплазматической сети, то поли пептидная цепь поступает в канальца эндоплазматической сети. Здесь она приобретает свою окончательную структуру и превращается в молекулу белка. Далее белок поступает в аппарат Гольджи и выносится из клетки. Если синтез происходит на рибосомах в цитоплазме, то синтезированные молекулы остаются и используются клеткой.

Весь процесс синтеза одного белка длится от 20 до 500 с и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 20 с.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какое строение имеет молекула тРНК? Назовите ее ключевые участки.

2. За счет каких связей поддерживается конфигурация молекулы тРНК?

3. Сколько видов тРНК имеется в клетке? Чем они отличаются друг от друга? Почему их такое количество?

4. Назовите процесс синтеза полипептидной цепи. В каких органеллах клетки он происходит?

5. Используя таблицу кодов ДНК, определите аминокислотный состав фрагмента полипептидной цепи, если участок гена на ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность:

ГАТГАТЦАГГАТГЦЦТГТЦТГТТЦААГГГАЦТЦАТТ.

6. Каким образом синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка?

9. Матричный синтез ДНК

Репликация ДНК

Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называется репликацией или удвоением молекул ДНК.

Открытию механизма репликации предшествовали многочисленные эксперименты по синтезу ДНК. Модель молекулы ДНК, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, породила целую серию экспериментов по выяснению механизма ее репликации. Наиболее убедительные данные были представлены в 1958 г. учеными М. Мезелсоном и Ф. Сталем. В процессе эксперимента были выдвинуты три гипотезы.

1. Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза полностью новой молекулы ДНК, т. е. новая ДНК является полной копией исходной.

2. Полуконсервативная репликация. На каждой цепи исходной молекулы ДНК синтезируется вторая недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной и одной новой цепи ДНК.

3. Фрагментарная репликация. Молекула ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матрицы для достройки недостающих фрагментов новых молекул ДНК.

В качестве объекта эксперимента была использована кишечная палочка, которая содержит в клетке всего одну молекулу ДНК. Для выяснения правильной версии бактерии выращивались на питательной среде, содержащей радиоактивный изотоп азота ¹⁵N. Через несколько поколений ДНК всех бактерий содержали изотоп ¹⁵N (рис. 24).

Puc. 24. Гипотезы процесса репликации ДНК: 1. А – консервативная; Б – полуконсервативная; В – фрагментарная. II. Результат центрифугирования молекулы ДНК бактерий

Методом центрифугирования эти ДНК были выделены из клеток в виде отдельной фракции, что доказывало, что ДНК всех бактерий имеют одинаковый изотопный состав. Далее бактерии, содержащие в ДНК только изотоп ¹⁵N, были перенесены на питательную среду с обычным изотопом азота ¹⁴N. Центрифугирование ДНК нового поколения бактерий показало, что эти молекулы содержали азот ¹⁴N и ¹⁵N, но их невозможно было разделить по массе на фракции. Следовательно, оба изотопа находились в одной молекуле ДНК. Первая версия о консервативном способе репликации ДНК была отвергнута, так как отсутствовали отдельные фракции ДНК с ¹⁴N и ДНК с ¹⁵N.

Для проверки двух оставшихся версий были исследованы ДНК третьего поколения бактерий. Их удалось четко разделить на две фракции: ДНК (¹⁴N) и ДНК (¹⁴N, ¹⁵N). Таким образом, отпала третья версия о фрагментарной репликации ДНК. Эксперимент позволил установить, что ДНК синтезируется полуконсервативным способом.

В основе репликации ДНК лежат следующие принципы.

Комплементарность. Каждая цепь молекулы ДНК содержит последовательность нуклеотидов, в точности комплементарную последовательности нуклеотидов на другой цепи. Следовательно, новые молекулы несут одну и ту же генетическую информацию: цепь А является шаблоном для синтеза цепи А', а цепь А' – шаблоном для синтеза цепи А.

Полуконсервативный синтез. Если разделить цепи А и А' одной молекулы ДНК, то каждая из них будет служить матрицей для синтеза соответствующей недостающей цепи. Новые молекулы ДНК будут содержать одну новую и одну исходную материнскую цепь ДНК. Две дочерние молекулы ДНК полностью идентичны исходной материнской.

Антипараллельность. Две цепи в молекуле ДНК антипараллельны. Это значит, что у нуклеотида в начале одной цепи находится остаток дезоксирибозы со свободной гидроксогруппой (-OH) у 3'-атома углерода, а у комплементарного ему нуклеотида в начале другой цепи находится остаток фосфорной кислоты, соединенный с 5'-атомом углерода дезоксирибозы. Соответственно, первая цепь заканчивается нуклеотидом с 5'-концом, а вторая цепь – нуклеотидом с 3'-концом.

Челночный синтез. Фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий синтез новой цепи ДНК на матрице исходной цепи, соединяет нуклеотиды только в направлении от 5'-нуклеотида к 3'-нуклеотиду. Поэтому синтез идет на одной цепи вперед в направлении 5'—3' непрерывно, а затем по другой цепи назад к 5'-концу фрагментами. Отдельные фрагменты соединяются позже.

Процесс репликации протекает в три стадии.

Стадия I – инициация. Репликация молекулы ДНК начинается с разъединения двойной спирали с одного конца, причем процесс идет не на всем участке молекулы, а частями, фрагментарно. Эта реакция проводится в присутствии нескольких белковых факторов. Две цепи в молекуле ДНК связаны достаточно прочно, поэтому для их разъединения необходимы специальные белки. Белки первого типа, перемещаясь по молекуле ДНК, раскручивают спираль и разрушают водородные связи между комплементарными основаниями, расплетая двойную спираль. Белки второго типа предотвращают повторное соединение двух цепей и обеспечивают эффективность действия белков первого типа. Кроме того, они выпрямляют одиночные цепи ДНК и обеспечивают продвижение фермента ДНК-полимеразы, который катализирует синтез новых цепей. В результате действия всех белковых факторов образуется репликационная вилка (рис. 25).

Рис. 25. Репликация ДНК: I – строение репликационной вилки: 1 – ДНК-расплетающий белок; 2 – ДНК-связывающий белок; 3 – ДНК-полимераза; II – синтез ДНК на ведущей и отстающей цепи (стрелками показано направление синтеза и перемещение ДНК-полимеразы)

Стадия II – элонгация. На этой стадии происходит собственно синтез ДНК. По принципу комплементарности на каждой из цепей ДНК выстраиваются нуклеотиды. Самокопирующий фермент ДНК-полимераза, передвигаясь по репликационной вилке, соединяет между собой нуклеотиды в направлении от 5'– к 3'-концу. Движение фермента идет только в одном направлении. Так как цепи ДНК антипараллельны, то по другой цепи ДНК-полимераза движется в обратном направлении и синтезирует фрагмент от начала репликационной вилки к концу цепи.

На первой цепи фермент, дойдя до начала репликационной вилки, как бы стимулирует движение связывающего белка. Он передвигается выше, расплетая молекулу ДНК дальше. Фермент вновь передвигается по первой цепи, продолжая прерванный синтез с последнего нуклеотида. На другой же цепи фермент синтезирует второй фрагмент ДНК в обратном направлении.

Репликационная вилка оказывается несимметричной. Одна из дочерних цепей ДНК (ведущая) строится непрерывно, а другая (отстающая) – синтезируется прерывисто, в виде отдельных фрагментов. Фрагменты соединяются друг с другом позже, только после синтеза следующих фрагментов.

Последняя III стадия называется терминацией. С вновь синтезированных молекул ДНК снимаются все белковые факторы, ферменты. Две дочерние молекулы ДНК расходятся, спирализуются и приобретают соответствующую структуру. Процесс синтеза ДНК заканчивается.

Копирование ДНК происходит с высокой точностью. В среднем на каждые 1 · 10⁹ комплементарных пар нуклеотидов, образующихся в ходе репликации, приходится одна ошибка. Эти ошибки устраняются особой корректирующей системой белков, распознающих и удаляющих неправильные нуклеотидные остатки.

Точность копирования обеспечивает правильность передачи наследственной информации. Весь процесс репликации происходит за счет энергии АТФ.