Значение биосинтеза белков. Из реакций пластического обмена важнейшее значение имеет биосинтез белков.
В клетке содержатся несколько тысяч разных белков. Следует вспомнить (с. 153), что каждый вид клеток имеет специфические белки, присущие только данному виду клеток. Способность синтезировать именно свои белки передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется в течение всей жизни. Все клетки в течение жизни синтезируют белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности белки постепенно денатурируются, их структура и функции нарушаются. Такие молекулы белков удаляются из клетки и заменяются новыми полноценными молекулами. Благодаря этому жизнедеятельность клетки сохраняется.
Код ДНК. Основная роль в определении структуры синтезируемого белка принадлежит ДНК. В молекуле нитевидной ДНК заключена информация о первичной структуре белков данной клетки. Отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного определенного белка, называется геном. В молекуле ДНК содержится несколько сотен генов.
Чтобы разобраться в том, каким образом в ДНК запрограммирована первичная структура белка, воспользуемся аналогией. Многие знают об азбуке Морзе, при помощи которой передают сигналы и телеграммы. По азбуке Морзе все буквы алфавита, знаки препинания и цифры обозначаются комбинациями коротких (точка) и длинных (тире) сигналов. Собрание условных знаков, применяемых для сообщений по телеграфу, радио, называется кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой пример кода.
В живой природе в процессе эволюции выработался код, называемый кодом ДНК: на молекулах ДНК записана и хранится информация о первичной структуре всех белков данной клетки.
Вспомним, что ДНК представляет собой цепь из последовательно расположенных нуклеотидов (с. 158), а белок — цепь из последовательно расположенных аминокислот (с. 149). Как в коде Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так в коде ДНК определенные сочетания последовательно расположенных нуклеотидов соответствуют определенным аминокислотам в молекуле белка.
Чтобы узнать записанную на молекуле ДНК информацию о первичной структуре белка, нужно знать код ДНК, т. е. знать, какое сочетание нуклеотидов соответствует каждой аминокислоте. Так как нуклеотидов всего 4 вида (с. 159), а аминокислот —20 (с. 149), то очевидно, что каждой аминокислоте соответствует сочетание из нескольких нуклеотидов. Каждая аминокислота белка кодируется сочетанием трех последовательно расположенных в цепи ДНК нуклеотидов: из 4 элементов по 3 можно составить 64 различных сочетания, что с избытком достаточно для кодирования всех 20 аминокислот.
В настоящее время код ДНК расшифрован полностью (см. табл. на с. 168).
Для каждой аминокислоты точно установлен состав кодирующих ее троек нуклеотидов — триплетов.
В коде ДНК во многих случаях одна и та же аминокислота закодирована не одним триплетом, а несколькими— двумя, четырьмя и даже шестью. Предполагают, что такое свойство кода имеет значение для повышения надежности хранения и передачи наследственной информации.
Среди 64 триплетов, находящихся в таблице, три — УАА, УАГ и УГА — не кодируют аминокислоты (на месте триплетов в нашей таблице генетического кода стоят черточки). Эти триплеты — сигналы окончания синтеза полипептидной цепи. Необходимость таких триплетов вызвана тем, что в ряде случаев на и-РНК осуществляется синтез нескольких полипептидных цепей. Для отделения их друг от друга и используются указанные триплеты.
Транскрипция. Синтез белка протекает на рибосомах, а информация о структуре белка зашифрована в ДНК, расположенной в ядре. Как же информация из ядра поступает в цитоплазму к рибосомам? Передача информации осуществляется с помощью и-РНК, которые синтезируются на одной из цепей участка молекулы ДНК — гена — ив точности повторяют его структуру.
Чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения нуклеотидов в гене могут быть «переписаны» на и-РНК, вспомним принцип комплементарности, на основании которого построена двухспиральная молекула ДНК (с. 160). Этот принцип действуете! при синтезе и-РНК. Как это происходит, поясняет рисунок | | . Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный нуклеотид и-РНК. (Напомним, что в РНК вместо нуклеотида с азотистым основанием Т присутствует нуклеотид с азотистым основанием У.) Таким образом, против Г днк встает ЦРНК, против Цднк — ГРНК., против А днк — УРНК, против Тднк — АРНК. В результате образующаяся цепочка и-РНК представляет собой точную копию второй цепи.
Таким путем информация, содержащаяся в гене, как бы переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (лат. «транскрипцио» —переписывание). Затем молекулы и-РНК направляются к месту синтеза белка, т. е. к рибосомам. Туда же из цитоплазмы поступают аминокислоты, из которых строится белок. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты, образующиеся в результате расщепления белков пищи.
Транспортные РНК. Каждая аминокислота попадает в рибосому в сопровождении специализированной транспортной РНК (т-РНК). Так как в построении природных белков участвуют 20 разных аминокислот, то, очевидно, существуют не менее 20 разных т-РНК. Известно, что в ряде мест цепочки т-РНК имеются 4—7 последовательных нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. На рисунке | | эти участки обозначены буквами Л В, В, Г. В этих участках между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи. В результате возникает сложная петлистая структура, похожая по форме на листок клевера. У его верхушки (на рисунке обозначена буквой Е) расположен триплет нуклеотидов, который по генетическому коду соответствует определенной аминокислоте. Этот триплет называют кодовым триплетом. У ножки «листка клевера» (на рисунке буква Д) находится участок, связывающий аминокислоту,
Нуклеотидный состав кодовых триплетов т-РНК комплементарен нуклеотидному составу триплетов и-РНК. Так, кодовый триплет аланиновой. т-РНК — ЦГА (в и-РНК ему комплементарен триплет ГЦУ), кодовый триплет валиновой т-РНК — ЦАА (в и-РНК ему комплементарен триплет ГУУ; проверьте по таблице генетического кода). У т-РНК, изображенной на рисунке | | , кодовый триплет ГУУ. Этот триплет соответствует аминокислоте лизину — лизиновая т-РНК. Она присоединяет и транспортирует в рибосому аминокислоту лизин.
В таблице приведен состав триплетов, которыми закодированы все 20 аминокислот (названия аминокислот сокращены, см. с. 149). Так как при синтезе полипептидной цепи информация считывается с и-РНК, то назван состав триплетов нуклеотидов и-РНК (в скобках — комплементарные основания ДНК).
Таблица.
