Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Репликация ДНК. ДНК представляет собой двухцепочечный биополимер, мономерами которо­го являются нуклеотиды. Если бы биосинтез ДНК происходил по принципу ксерокопирования, то неизбежно возникали бы многочисленные искажения и погрешности в наследственной информа­ции, которые в конечном итоге привели к гибели новых организмов. Поэтому процесс удвоения ДНК происходит иным, полуконсервативным способом: молекула ДНК расплетается, и на каж­дой из цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. Процесс самовоспроиз­ведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и пе­редачу ее из поколения в поколение, называется репликацией (от лат. репликацио — повторение). В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из кото­рых несет по одной копии материнской (рис. 2.46).

Процесс репликации на самом деле крайне сложен, так как в нем участвует целый ряд белков. Одни из них раскручивают двойную спи­раль ДНК, другие разрывают водородные связи между нуклеотидами комплементарных цепей, третьи (например, фермент ДНК-полимераза) подбирают по принципу комплементарности новые нуклеотиды и т. д. Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процес­се деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.

Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, однако если они и происходят, то очень быстро устраняются как ДНК- полимеразами, так и специальными ферментами репарации, поскольку любая ошибка в последовательности нуклеотидов может привести к не­обратимому изменению структуры и функций белка и, в конечном ито­ге, неблагоприятно сказаться на жизнеспособности новой клетки или даже особи.

Биосинтез белка. Как образно выразился выдающийся философ XIX века Ф. Энгельс: «Жизнь есть форма существования белковых тел». Структура и свойства белковых молекул определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот, зашифрованной в ДНК. От точности воспроизведения этой информации зависит не только существование самого полипепти­да, но и функционирование клетки в целом, поэтому процесс синтеза белка имеет огромное зна­чение. Он, по-видимому, является самым сложным процессом синтеза в клетке, поскольку здесь участвует до трехсот различных ферментов и других макромолекул. Кроме того, он протекает с высокой скоростью, что требует еще боль­шей точности.

В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. транскрипций — переписывание) — это био­синтез молекул иРНК на соответствующих участках ДНК (рис. 2.47).

Поскольку молекула ДНК содержит две антипараллельных цепи, то считывание информации с обеих цепей привело бы к образованию совершенно различных иРНК, поэтому их биосинтез возможен только на одной из цепей, которую называют кодирующей, в отличие от вто­рой, некодирующей. Обеспечивает процесс переписывания специаль­ный фермент РНК -полимераза, который подбирает нуклеотиды РНКпо принципу комплементарности. Этот процесс может протекать как в ядре, так и в органоидах, имеюших собственную ДНК, — митохондриях и пластидах.

Синтезированные в процессе транскрипции молекулы иРНК покидают ядро через ядерные поры и проходят в цитоплазме сложный процесс подготовки к трансляции (митохондриальные и пластидные иРНК могут оставаться внутри органоидов, где и происходит второй этап биосин­теза белка). В процессе созревания иРНК к ней присоединяются первые три нуклеотида (АУГ) и хвост из адениловых нуклеотидов, длина которого определяет, сколько копий белка может син­тезироваться на данной молекуле.

После транскрипции происходит процесс активации аминокислот, в ходе которого аминокис­лота присоединяется к соответствующей свободной тРНК. Этот процесс катализируется специаль­ным ферментом, на него затрачивается АТФ.

Трансляция (от лат. трансляций — передача) — это биосинтез полипептидной цепи на моле­куле иРНК, при котором происходит перевод генетической информации в последовательность аминокислот полипептидной цепи (рис. 2.48).

Второй этап синтеза белка чаще всего происходит в цитоплазме, на­пример на шероховатой ЭПС. Для его протекания необходимы наличие рибосом, активация тРНК, в ходе которой они присоединяют соответ­ствующие аминокислоты, присутствие ионов Mg²⁺, а также оптималь­ные условия среды (температура, рН, давление и т. д.).

Для начала транскрипции (инициации) к готовой к синтезу моле­куле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем по принципу комплементарности к первому кодону подбирается тРНК, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяет­ся большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К со­седнему с ним кодону присоединяется вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью ферментов образуется пеп­тидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой, а фрагмент буду­щей полипептидной цепи как бы повисает на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, т. е. происходит ее элонгация.

Окончание синтеза белка (терминация) происходит, как только в молекуле иРНК встретится специфическая последовательность нуклеотидов, которая не кодирует аминокислоту (стоп-кодон). После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок приобретает соответствующую структуру и транспортируется в ту часть клетки, где он будет вы­полнять свои функции.

Трансляция является весьма энергоемким процессом, поскольку на присоединение одной ами­нокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, еще несколько используются для продвижения рибосомы по молекуле иРНК.

Для ускорения синтеза определенных белковых молекул к молекуле иРНК могут присоеди­няться последовательно несколько рибосом, которые образуют единую структуру — полисому.

Клетка – генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Особенности соматических и половых клеток. Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз – деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза. Развитие половых клеток у растений и животных. Сходство и отличие митоза и мейоза, их значение. Деление клетки – основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза в обеспечении постоянства числа хромосом в поколениях.