Эволюция органического мира - Учебное пособие (Воронцов Н.Н.)

Наследственная информация и ее реализация в клетке

Возникнув из модели Уотсона — Крика, молекулярная биоло­гия не только объяснила непонятное прежде, но и породила новые загадки, поставила новые вопросы, относящиеся к самым сокро­венным процессам жизни. Первым и самым важным был вопрос о механизме синтеза белков в клетке. Сходство и различие орга­низмов определяются в своей основе набором белков. Белки пост­роены из 20 аминокислот. Виды животных, растений отличаются друг от друга последовательностью аминокислот в белковых це­пях. Так что же определяет эту последовательность? Где и как составляется ее программа?

ДНК—матрица для синтеза белков. Любая книга издается тиражом п экземпляров. Все п экземпляров одной книги совер­шенно одинаковы, так как отпечатаны с одного шаблона—ти­пографской матрицы. Если бы в матрице была допущена ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

В клетках живых организмов роль матрицы выполняют мо­лекулы ДНК- В ДНК заключена информация о всех белках клет-

17

ки, а следовательно, о всех признаках клетки и организма в

целом.

Каждый белок представлен одной или несколькими биопо­лимерными цепями. Участок молекулы ДНК. служащий матри­цей для синтеза одной цепи белка, называется геном. Поэтому информация, которую содержит ДНК, называется генетической. Ген — часть ДНК, состоящая из сотен нуклеотидов- Неделимыми элементарными частицами ДНК являются только отдельные нуклеотиды.

Образование и-РНК на матрице ДНК. ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в рибосомах, расположенных в цитоплазме. Каким образом заключенная в ДНК информация передается в место синтеза белка? Эту функцию осуществляет посредник -- информационная РНК (и-РНК), способная пройти через поры ядерной мембраны. По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК, и-РНК снимает копию не всей молекулы ДНК, а только одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Синтез — формирование РНК идет на одной из цепей гена (рис. 5). Специальный фермент­

ам                 и-рнк

Рис. 5. (.хе'ма (Зиосип кча белка

Аминокислоты

полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу компле-ментарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку. Если в нити ДНК стоит гуанин, то полимераза включает в цепь и-РНК цитозин. Если стоит тимин — включает аденин, если аденин,— то урацил (в состав РНК не входит тимин!). Этот этап синтеза белка носит название транскрипции (от лат- транскриптио— переписывание}. (Термин взят из музыки и означает переложе­ние, обработку сочинения, написанного композитором для одного инструмента, на другой инструмент.)

Фермент полимераза узнает последовательность нуклеотидов в промежутке между генами и, двигаясь вдоль нужного ему гена, снимает с него точную копию в виде молекулы и-РНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (также в виде определен­ной последовательности нуклеотидов), означающий конец перепи­сывания. Готовая и-РНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков — рибосоме.

Генетический код и его свойства. Суть генетического кода заключается в том, что последовательность расположения нуклео­тидов в и-РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Носителем .генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает и-РНК, то генетический код записан на «языке» РНК.

Зная, что аминокислот всего 20, а нуклеотидов 4, можно под­считать, что 4 нуклеотидов явно недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Недостаточно также и кода из 2 нуклеотидов на каждую аминокислоту (42==lб). Очевидно, что для кодирова­ния 20 аминокислот необходимы группы по меньшей мере из 3 нуклеотидов (4i=64). Подобная группа из 3 нуклеотидов, несу­щая информацию об одной аминокислоте в молекуле белка, назы­вается кодоном (триплетом). Понятно, что в гене столько кодо-нов, сколько аминокислот входит в состав данного синтезируемо­го белка.

Интересно, что одной аминокислоте зачастую соответствует несколько кодонов. Например, глутаминовую кислоту кодируют триплеты ГАА и ГАГ- Такой код называется вырожденным. Наря­ду с этим обнаружилось, что некоторые кодоны не кодируют ни одну аминокислоту, их называют бессмысленными, они определя­ют границы генов в длинной цепи ДНК.

Код однозначен. Каждый триплет кодирует только одну амино­кислоту. Например, триплет ААА кодирует только аминокислоту лизин, а триплет ГЦГ — аланин.

Код универсален — един для всех живущих на Земле существ.

Что если бы код изменился? Допустим, всего в одном кодоне один нуклеотид заменился другим. Это означает, что данный ко-дон стал соответствовать совсем другой аминокислоте. Каждый кодон встречается не в одном, а во многих генах, и со всех генов начнет считываться неточная информация, будут синто:жронаться

19

белки с неправильной аминокислотой. А замена даже одной аминокислоты в молекуле белка изменяет его первичную структу­ру, что, в свою очередь, приводит к нарушению свойств белка и может быть причиной гибели организма.

Роль т-РНК в синтезе белка. Необходимое «сырье» для биосинтеза белка — различные аминокислоты в достаточном ко­личестве имеются в цитоплазме клетки. Доставляются амино­кислоты в рибосомах молекулами транспортной РНК (т-РНК). По сравнению с и-РНК т-РНК небольшие и состоят всего из 70—90 нуклеотидов. Количество разновидностей молекул т-РНК равно числу аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует определенная т-РНК: аминокислота валин транспортируется ва-линовой т-РНК, глицин — глициновой т-РНК и т. д.

Небольшие молекулы т-РНК способны сворачиваться таким образом, что напоминают по форме лист клевера. На «вершине» каждого «листа» т-РНК имеется антикодон — триплет нуклеоти­дов, комплементарных нуклеотидам кодона в и-РНК. Специаль­ный фермент «узнает» антикодон и присоединяет к «основанию листа» т-РНК соответствующую аминокислоту- Затем т-РНК с аминокислотой поступает в рибосому, где играет роль переводчи­ка с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Этот процесс носит название трансляции — передачи.

Синтез белка в рибосоме. Термин «трансляция» используют не только в телевидении, но и в работе электронно-вычислитель­ных машин для обозначения перевода с одного языка програм­мирования на другой — машинный язык. Образно говоря, рибо-сома — «фабрика» белка представляет собой молекулярную вы­числительную машину клетки, переводящую тексты с нуклеотид-ного языка и-РНК на аминокислотный язык. Эта «молекулярная машина» работает только по одной, узко специализированной программе, содержащей генетический код.

Для того чтобы понять, как в рибосоме происходит трансля­ция, обратимся к рисунку 5. Рибосомы изображены в виде яйцевидных тел, нанизанных на и-РНК- Рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК и передвигается по ней «шажками», с триплета на триплет. Сюда же, в рибосому, поступает т-РНК. Сначала кодон и-РНК «узнается» антикодоном т-РНК: к кодону и-РНК по правилу комплементарности присоединяется кодовым триплетом т-РНК, несущая «свою» аминокислоту. Затем достав­ленная аминокислота отрывается от т-РНК. После отдачи амино­кислоты данная т-РНК покидает рибосому. На смену ей подходит другая т-РНК, с иной аминокислотой, которая составляет по­следующее звено в строящейся белковой цепи. Между амино­кислотами возникает пептидная связь, и они соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Когда рибосома продвинется вперед, с того же конца на и-РНК

20

входит вторая рибосома, третья, четвертая и т. д. Все они вы­полняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК- Когда рибосома достигает противоположного конца и-РНК, синтез завершается. Готовая цепь белка отходит от рибосомы и по эндоплазмати-ческой сети транспортируется в тот участок клетки, где требу­ется данный вид белка.

Рибосома вступает на другую любую и-РНК, на матрице которой синтезируется другой белок, и т. д. Аминокислоты бес­перебойно поставляются к рибосомам с помощью т-РНК- Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, реали­зуется разными видами РНК в молекулах соответствующих белков.

В лабораторных условиях синтез белков требует огромного времени, усилий и средств. В клетке же синтез белковых молекул, состоящих из сотен и более аминокислот, осуществляется в те­чение нескольких секунд. Это объясняется в первую очередь матричным принципом синтеза нуклеиновых кислот и белков, обес­печивающим точную последовательность мономерных звеньев а синтезируемых полимерах. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Существенное влияние на быстроту и точность протекания всех реакций синтеза белка оказывают фер­менты. С участием специальных ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК, соединение аминокислот с т-РНК и т. д. Процесс белкового синтеза требует также больших затрат энергии. Так, на соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Можно представить, сколько молекул "АТФ расщепляется в процессе синтеза среднего по размерам белка, состоящего из нескольких сотен аминокислот!

ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ

1. Как вы понимаете фразу: «Молекулы ДНК — матрицы для син­теза белков»?

2. В чем сущность генетического кода? Каковы его основные свойства?

3. Начальная часть молекулы белка имеет следующую структуру:

тирозин — цистеин — фенилаланин. Какие т-РНК (с какими антикодонами) участвуют в синтезе белка?

4. О чем говорит универсальность генетического кода (у вирусов бактерий, грибов, растений, животных и человека определен­ной аминокислоте соответствует один и тот же триплет нуклео­тидов), всеобщий характер матричного принципа синтеза

макромолекул?

Известный западногерманский биохимик Г. Шрамм, исходя из открытия молекулярной биологии о том, что наследственная информация зашифрована в молекулах ДНК, делает следующий

01

вывод: при наследовании передается только план (идея) того, как должно быть сформировано живое существо. А раз наследствен­ная информация подобна идее, то она нематериальна. Поэ­тому переход к духовному начинается не с появления чело­века, а много раньше (на молекулярном уровне развития живо­го). Согласны ли вы с такой точкой зрения? Аргументируйте свой ответ.