ДНК и-РНК

«Сборка» белковой молекулы осуществляется в рибосомах. Здесь происходит трансляция – перевод информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков. Трансляция (от лат. translatio – передача) – это синтез полипептидных цепей белков по матрице информационной РНК согласно генетическому коду – второй этап реализации генетической информации в живых клетках. У прокариот (организмы, клетки которых лишены оформленного ядра; представители: бактерии) процессы транскрипции и трансляции не разобщены во времени и в пространстве. У эукариот (организмы, клетки которых обладают ядром, отделенным мембранами от цитоплазмы; представители: грибы, растения, животные) синтезированная и-РНК в ядре покидает его, направляется к месту синтеза белка – рибосомам, расположенным в цитоплазме клетки. Таким образом у эукариот синтез белка происходит вне ядра клетки, т.е. на некотором расстоянии от кодирующей матрицы (ДНК).

Рибосома – органоид клетки, представляющий собой частицу сложной формы, состоящую из двух неравных субъединиц: большой и малой. Диаметр рибосомы около 20 нм (20 × 10^-9 м). Синтезируемые белковые молекулы в развернутом виде достигают длины 100-200 нм, а длина ДНК достигает примерно 10⁵ нм и в ней может содержаться несколько сотен генов. Несмотря на относительную громоздкость биомолекул все они очень компактно упакованы в живой материи. Это одно из отличительных свойств живой природы от неживой. Синтез белка осуществляет не одна рибосома, а целая группа, включающая несколько десятков рибосом (до 100), объединенных нитевидной молекулой информационной РНК. Такую группу рибосом называют полисомой.

В процессе трансляции информация о специфическом строении будущего белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах и-РНК (см. выше о транскрипции), переводится с нуклеотидного кода в определенную последовательность аминокислот в синтезируемых белках. Это осуществляется сложным макромолекулярным комплексом, состоящим кроме и-РНК из рибосом, т-РНК, аминоацил-т-РНК-синтетаз, белковых факторов инициации (начала), элонгации (удлинения, наращивания полипептида), терминации (окончания) трансляции и др.

По мере сборки белковой молекулы рибосома, имеющая малый размер «ползет» по и-РНК (см. рис.3.3). В это же время 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 места «сборки» белка. Однако только в том случае, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным к триплету информационной РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, аминокислота, доставленная т-РНК, попадает в состав молекулы белка и отделится от т-РНК. Тотчас же рибосома делает шаг вперед по и-РНК на один триплет, а «освободившаяся» транспортная РНК выбрасывается в окружающую среду на поиски молекулы аминокислоты, найдя, несет ее в любую из рибосом полисомы. Диаметр одной рибосомы примерно равен удвоенной длине трех нуклеотид – одного триплета. Так постепенно триплет за триплетом, движется по информационной РНК рибосома и растет звено за звеном полипептидная цепь.

 

Рис. 3.3. Схема синтеза белка (полипептида) в одной рибосоме:

– фермент, белок синтеза; 1 – малая субъединица рибосомы; 2 – большая субъединица рибосомы; аминокислоты: гли – глицин, сер – серин, ала – аланин, фен – фениланин, лей – лейцин.

 

В живой клетке синтез одной молекулы белка, состоящий из 200-300 аминокислотных звеньев, завершается в течение 1-2 минут. В лабораторных условиях, искусственный синтез белка требует огромных усилий, много времени и средств. Первым в лабораторных условиях был синтезирован белок инсулин, полипептидная цепь которого состоит лишь из 51 аминокислотного остатка. Для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течение 3 лет. В 1969 г. в лабораторных условиях синтезировали белок рибонуклеазу, для чего потребовалось выполнить 11000 операций. Таким образом, получение продуктов питания человека, например, мяса из неорганических компонентов окружающей среды, несбыточная фантазия. К тому же такие продукты могут существенно повредить здоровье, обусловив заболевания и мутацию организмов. Следует учесть, что мутагенным (т.е., приводящим к появлению мутаций с повышенной частотой) действием обладают, например, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот.

Любой живой организм является очень сложным тонконастроенным механизмом с позиций техники. Для жизнедеятельности лишь одной клетки человека необходимо согласованное протекание более 10000 реакций [5]. Клетки же человеческого организма дифференцированы, поэтому в разных клетках протекают как однотипные, так и различающиеся реакции и их сумма достигает многих сотен тысяч, что соответствует индустрии человечества в глобальном масштабе. Положим, один завод имеет 50 цехов, в каждом из которых реализовано 3-5 разных реакций. В итоге здесь имеют место максимум 250 реакций.

Из сказанного понятно сколь бережным должно быть отношение человека и к самому себе и к живым организмам других видов. Ведь они являются базой его жизненных процессов, ниже, в других разделах мы поясним это.

Более подробную информацию о биохимических процессах, протекающих в живых организмах можно почерпнуть из школьных учебников по биологии для 10-11 классов или учебников для вузов, например в [5].

Кратко охарактеризуем функции белков в любом живом организме:

1) строительный материал клеток (из белков состоят мембраны клеток и клеточных органоидов, стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи и т.д.);

2) катализаторы биохимических реакций в организме – ферменты (они ускоряют реакции в десятки и сотни миллионов раз);

3) гормоны (регуляторы), управляют активностью ферментов, вызывают биохимическую активность; например, белковый гормон инсулин обеспечивает захват клетками питающей их глюкозы, при его недостатке в крови в избытке накапливается неиспользованная глюкоза;

4) транспортная (белок крови гемоглобин «захватывает», связывает, и доставляет кислород);

5) защитная (антитела и токсины): белки-антитела блокируют и обезвреживают чужеродные вещества;

6) сигнальная: в поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку;

7) двигательная: все виды движения к которым способны клетки у высших животных, в том числе и сокращение мышц, а также мерцание ресничек у простейших, движения жгутиков, выполняют особые сократительные белки;

8) энергетическая, при расщеплении белка, при распаде химических связей выделяется 16,7 кДж/г энергии.

В клетках разных видов живых организмов происходит синтез нуклеиновых кислот, белков, углеводов, жиров, клетки растут. Вместе с тем, любая форма активности – движение, секреция, биосинтез и др. нуждается в затрате энергии. Реакции с распадом химических связей в организмах в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. При этом сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные – на низкомолекулярные. Например, белки распадаются на аминокислоты, крахмал на глюкозу. Эти вещества в свою очередь расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуются совсем простые вещества, прежде всего вода (Н₂О) и углекислый газ (СО₂). В результате, из клеток выводятся разнообразные продукты обмена и вещества, синтезированные в них.

Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом. Совокупность реакций биологического синтеза называют ассимиляцией. Совокупность реакций расщепления (разрыва) химических связей в биомолекулах называют диссимиляцией. Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т.е. совокупность ассимиляции и диссимиляции, связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии.

Отражением сложных микропроцессов, идущих в любом живом организме, являются следующие признаки живых организмов на макроуровне:

 

 

· определенный химический состав (у всех живых организмов одни и те же химические элементы – биогены: углерод (С), азот (N), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р), сера (S), кальций (Са) и др. – объединены в биокомпоненты определенной структуры – ДНК, РНК, белки и др.);

· самоорганизация химического состава: структура ДНК «задает» определенную структуру полипептида белка;

· раздражимость – ответ на воздействие;

 

 

· подвижность

· изменчивость (наследственная (генетическая) и ненаследственная (модификационная))

· адаптация (приспособление к условиям внешней среды, частный случай изменчивости);

 

· старение (разрушительный процесс возрастных изменений, ведущий к снижению адаптационных возможностей организма, увеличению вероятности смерти);

· смерть (конечный срок существования объектов, прекращение жизнедеятельности организма, гибель его как обособленной целостной системы).

Указанные признаки типичны для большинства живых организмов, но бывают исключения. Например, рабочие пчелы и муравьи не способны к воспроизведению потомства. Можно привести и иные примеры исключения относительно других признаков, или обнаружить нечто подобное в неживой материи, например, рост кристаллов и т.д. Наблюдения показывают, что свойства (признаки) живого не носят исключительного характера и по отдельности обнаруживаются и среди объектов неживой природы. Мы лишь сделали общие наброски. Они свидетельствуют о сложности окружающего нас мира и нас самих. Явления и признаки практически невозможно ограничить какими-либо жесткими характеристическими рамками, всегда присутствует некоторая размытость. Нет и четкой границы между свойствами живого и неживого.

Выше рассмотрены процессы, обусловливающие жизнь на молекулярном и клеточном уровнях. Всего выделяют 9 следующих уровней организации живой материи (рис.3.4):