|
Постоянный обмен
веществ с окружающей средой — одно из основных свойств живых систем.
В клетках непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза.
При участии ферментов из простых низкомолекулярных веществ образуются
сложные: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов — сложные
углеводы, из азотистых оснований — нуклео- тиды. а из них — нуклеиновые
кислоты.
Разнообразные жиры и масла возникают путем химических
превращений сравнительно простых веществ, источником которых служит остаток
уксусной кислоты — ацетат. При этом биосинтетические реакции отличаются
видовой и индивидуальной, т. е. свойственной каждому отдельному организму,
специфичностью. Например, клетки наружных покровов членистоногих синтезируют хитин
— сложный полисахарид, а у наземных позвоночных — пресмыкающихся, птиц,
млекопитающих — роговое вещество, основу которого составляет белок кератин. В
то же время у каждого организма большинство белков индивидуальны, т. е.
обладают не вполне одинаковой структурой.
Это определяется тем, что в конечном счете структура
синтезируемых крупных органических молекул определяется последовательностью
нуклеотидов в ДНК, т. е. генотипом. Синтезированные вещества используются в
процессе роста для построения клеток и их органоидов и для замены
израсходованных или разрушенных молекул. Все реакции синтеза идут с
поглощением энергии.
Наряду с биосинтетическими процессами в клетках происходит
распад сложных органических молекул: и синтезированных в клетках, и поступивших
извне с пищей. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется
энергия, необходимая для реакции биосинтеза.
Пластическим обменом, или ассимиляцией, или
анаболизмом, называется совокупность реакций биологического синтеза. Название
этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступающих в клетку
извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена
— биосинтез белков. Как уже отмечалось, все многообразие свойств белков в
конечном счете определяется их первичной структурой, т. е.
последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных в процессе
эволюции уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза
нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая
соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в
полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов — триплет.
Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину — ЦАА, лизину —
ТТТ и т. д. ().
Таким образом, определенные сочетания нуклеоти- дов и
последовательность их расположения в молекуле ДНК являются кодом, несущим
информацию о структуре белка, или генетическим кодом.
Генетический код разных организмов обладает некоторыми
общими свойствами.
1. Избыточность. Код включает всевозможные сочетания трех
(из четырех) азотистых оснований. Таких сочетаний может быть 43 = 64, в то
время как кодируется только 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты
кодируются несколькими триплетами. Например, аминокислоте аргинину могут
соответствовать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и т. д. Эта избыточность кода
имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической
информации. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих
триплетах никак не отразится на структуре синтезируемого белка.
2. Специфичность. Нет случаев, когда один и тот же
триплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте.
3. Универсальность. Код универсален для всех живых
организмов — от бактерий до млекопитающих.
4. Дискретность. Кодовые триплеты никогда не
перекрываются, т. е. транслируются всегда целиком. При считывании информации
с молекулы ДНК невозможно использование азотистого основания одного триплета
в комбинации с основаниями другого триплета.
5. В длинной молекуле ДНК, состоящей из миллионов
нуклеотидных пар, записана информация о последовательности аминокислот в
сотнях различных белков. Понятно, что информация о первичной структуре
индивидуальных белков должна как-то разграничиваться. Действительно,
существуют триплеты, функцией которых является инициация синтеза
полинуклеотидной цепочки иРНК: инициаторы и триплеты, которые прекращают
синтез,— терминаторы. Следовательно, указанные триплеты служат «знаками препинания»
генетического кода.
Для того чтобы синтезировался белок, информация о
последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть
доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа — транскрипцию и
трансляцию.
Следующий этап биосинтеза белка — перевод
последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность
аминокислот полипептидной цепочки — трансляция (от лат. «трансляцио» —
перенесение). У прокариот (бактерий и синезеленых водорослей), не имеющих
оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной
молекулой иРНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного
завершения ее синтеза. У эукариот иРНК сначала должна быть доставлена через
ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками,
которые образуют комплекс с молекулой иРНК. Кроме функций переноса эти белки
защищают иРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.
В цитоплазме на один из концов иРНК (а именно на тот, с
которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается
синтез полипептида.
По мере передвижения по молекуле РНК рибосома транслирует
триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему
концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета иРНК
обеспечивается тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК, один из
триплетов которой (антикодон) комплементарен определенному триплету (кодону)
иРНК- На другом конце молекулы тРНК расположен триплет, способный связываться
с определенной аминокислотой ( 12). Каждой аминокислоте соответствует свой
фермент, присоединяющий ее к тРНК. Таким образом, процесс правильного
расположения тРНК на иРНК осуществляется рибосомами. Одна рибосома способна
синтезировать полную полипептидную цепь. Однако нередко по одной молекуле
иРНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полирибосомами (
13). После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы —
молекулы иРНК, сворачивается в спираль и приобретает третичную структуру,
свойственную данному белку. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1 с
бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.
|
