ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

 

 

Обмен веществ и преобразование энергии в клетке

Анаболизм, форма пластического обмена — биосинтез белков

 

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.

 

 

К содержанию книги: Мамонтов. Биология, пособие

 

Смотрите также:

 

Курс биологии для поступающих в вузы  Биология — наука о живой природе  Общая биология  Молекулярная биология  совокупность наук о живой природе  БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА