Еще одно свойство генетического кода заключается в том, что каждый триплет кодирует лишь одну определенную аминокислоту. Кроме того, генетический код универсален, то есть единый для всех организмов: от бактерий до человека.

Рис. 27.1. Процесе транскрипции: по принципу комплементарности на одной из цепей молекулы ДНК (1) синтезируется молекула иРНК (2). Синтез обеспечивает фермент РНК-полимераза (3). Вторая цепь ДНК (4) в это время остается неактивной

Выяснено также, что генетический код не перекрывается. Во время синтеза белковой молекулы триплеты иРНК считываются последовательно один за другим. При этом соседние триплеты не перекрываются и промежутки между ними отсутствуют.

Вспомните, ген - это определенная последовательность нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты. В генетическом коде есть также три триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых сигнализирует о прекращении синтеза полипептидной цепи, а триплет АУГ, как правило, определяет начало этого процесса (используя таблицу 27.1, определите аминокислоту, которую кодирует этот триплет).

Механизм биосинтеза белков выяснен в 50-е годы XX ст. В нем выделяют несколько этапов.

• Этапы биосинтеза белков. Первый этап связан с синтезом молекулы иРНК на молекуле ДНК одной из хромосом. При этом особый фермент разъединяет двойную спираль ДНК. Потом на одной из ее цепей при участии фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК, которая является точной копией этого участка ДНК. Эти процессы называют транскрипцией (от лат. транскрипцио - переписывание) (рис. 27.1). Затем молекула иРНК из ядра поступает в цитоплазму клетки.

На следующих этапах - трансляции (от лат. транслятио - передача) - последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК переводится в последовательность аминокислотных остатков молекулы синтезируемого белка. Сначала в цитоплазме каждая из 20 аминокислот соединяется с соответствующей молекулой тРНК (рис. 27.2). Этот процесс называют активацией аминокислот. В свою очередь иРНК связывается с рибосомой, а затем - с аминокислотным остатком, присоединенным к определенной молекуле тРНК. Такой комплекс готов к началу синтеза молекулы белка.

Рис. 27.2. Взаимодействие молекулы тРНК (1) с молекулой иРНК (2). Антикодон (3) молекулы тРНК взаимодействует с кодоном (4) молекулы иРНК; 5 - аминокислота, транспортируемая молекулой тРНК

На последующих этапах биосинтеза белка полипептидная цепь удлиняется благодаря тому, что аминокислотные остатки последовательно связываются между собой с помощью крепких ковалентных (пептидных) связей.

Как вы помните, один из концов молекулы тРНК образует петлю. Там расположен триплет нуклеотидов, который определяет, какую именно аминокислоту она транспортирует (антикодон). Он должен образовать комплементарную пару с соответствующим триплетом иРНК (кодоном). Аминокислотный остаток при этом присоединен к противоположной части молекулы тРНК (см. рис. 11.4).

Во время синтеза белковой молекулы нитевидная молекула иРНК оказывается между двумя субъединицами рибосомы (рис. 27.3). Генетическая информация считывается, и аминокислотные остатки присоединяются к синтезируемой молекуле белка в особом участке рибосомы - функциональном центре. Его размеры отвечают длине двух триплетов, поэтому в нем одновременно могут пребывать два соседних триплета иРНК. В одной части функционального центра антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой - аминокислота отделяется от тРНК.

Рис. 27.3. Этапы биосинтеза белка: I - инициация; II - элонгация; III - завершение синтеза белковой молекулы

Внимательно рассмотрите рисунок 27.3. Сначала происходит процесс так называемой инициации, когда малая субъединица рибосомы соединяется с иРНК, а ее кодон (АУГ) взаимодействует с антикодоном тРНК (УАЦ). При этом большая субъединица рибосомы объединяется с малой (I). Обратите внимание на функциональный центр рибосомы (1), в котором одновременно могут находиться две молекулы тРНК. Начинается процесс синтеза полипептидной цепи — элонгация (II). К функциональному центру рибосомы подходит вторая молекула тРНК (2). Ее антикодон (ПАУ) взаимодействует с кодоном иРНК (ГУА). Первая молекула тРНК оставляет функциональный центр рибосомы. Два остатка аминокислот с помощью пептидной связи соединяются в дипептид (4). Далее рибосома делает шаг, равный одному триплету. К освободившемуся участку функционального центра рибосомы поступает третья молекула тРНК (3); происходит следующий шаг рибосомы. В это время антикодон третьей молекулы тРНК (УУУ) взаимодействует с кодоном ААА. Молекула синтезируемого белка состоит уже из трех остатков аминокислот (5). Обратите внимание: на втором участке функционального центра рибосомы молекула тРНК отсутствует. Это связано с тем, что там находится триплет иРНК УГА, подающий сигнал о прекращении синтеза белковой молекулы. Завершается процесс биосинтеза молекулы белка (III), когда большая и малая субъединицы рибосом разъединяются и покидают молекулу иРНК. Одновременно освобождаются и молекулы тРНК (3) и синтезированная молекула белка (5). (Задание. Пользуясь таблицей 27.1, определите, из остатков каких аминокислот состоит синтезированная молекула белка.)

Когда рибосома начинает продвигаться вперед вдоль молекулы иРНК, ее место занимает вторая, затем - третья, четвертая и т. д., и биосинтез новых белковых молекул продолжается. Число рибосом, которые одновременно могут быть расположены на молекуле иРНК, определяется ее длиной. Комплекс рибосом, объединенных молекулой иРНК, называют полирибосомой, или сокращенно - полисомой (рис. 27.4). Таким образом, на одной полисоме одновременно осуществляется синтез многих молекул определенного белка.

На завершающем этапе синтезированный белок приобретает свою естественную конформацию. В это время при участии соответствующих ферментов отщепляются лишние аминокислотные остатки, к молекуле могут присоединяться небелковые компоненты (фосфатные, карбоксильные и другие группы, углеводы, липиды и т. п.). Лишь после завершения этих процессов молекула белка становится функционально активной.

Процессы синтеза белковых молекул нуждаются в затратах энергии, которая освобождается при расщеплении молекул АТФ.

• Биосинтез нуклеиновых кислот. Почти все живые организмы способны синтезировать нуклеотиды в результате последовательных ферментативных реакций. В образовании нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, принимают участие аминокислоты (например, глицин, аспарагин, глутамин) и другие химические соединения (СO2 и т. п.). Также при расщеплении нуклеиновых кислот значительная часть азотистых оснований не распадается, а вновь используется для синтеза новых нуклеотидов.

Различные виды нуклеиновых кислот образуются по-разному. Биосинтез ДНК основан на способности молекул ДНК к самоудворнию - репликации, вследствие чего дочерние молекулы становятся точными копиями материнских.

Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются по принципу комплементарности на молекулах ДНК. Эти реакции обеспечиваются соответствующими ферментами. Вначале синтезируются предшественники РНК, которые со временем превращаются в функционально активные молекулы.

Рис. 27.4. Структура и функции полирибосомы. I. Вид сбоку. Обратите внимание на расположение большой (1) и малой (2) субъединиц рибосомы, а также молекул иРНК (3) и синтезирующихся белков (4). II. Вид спереди. III. Несколько рибосом, объединенные молекулой иРНК, образуют полирибосому (полисому). IV. Электронная микрофотография полирибосомы

• Особенности реакций матричного синтеза. Как вы могли заметить, биологическим системам присущ особый тип биохимических реакций, когда молекула одного соединения служит основой для синтеза молекулы другого. Так, молекула ДНК служит основой для синтеза других молекул ДНК, разных типов молекул РНК, молекула иРНК - белковых молекул. Такие процессы получили название реакций матричного синтеза, так как напоминают промышленные методы, когда с помощью одной формы-матрицы или шаблона изготовляют много деталей. Например, с помощью одной матрицы можно напечатать много купюр или отчеканить много монет. Так же и во время реакций матричного синтеза новые молекулы образуются согласно плану строения молекулы-матрицы: мономеры синтезируемой молекулы, располагаются в точном соответствии с размещением мономеров молекулы-матрицы. Таким образом, реакции матричного синтеза служат основой одного из главных свойств биологических систем - способности к самовоспроизведению.

Ключевые термины и понятия. Генетический код, транскрипция, трансляция.

Кратко о главном

• Основные процессы пластического обмена — это биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот.
• Генетический код - система записи генетической информации. Это определенная последовательность нуклеотидов молекул нуклеиновых кислот. Она определяет порядок расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи во время ее синтеза. Свойства генетического кода: он триплетный, универсальный, один триплет кодирует лишь одну аминокислоту, но большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами; в генетическом коде есть триплеты, которые дают сигналы о начале или завершении синтеза белковой молекулы.
• Первый этап биосинтеза белков - транскрипция: синтез молекулы иРНК на молекуле ДНК в ядре. В дальнейшем в цитоплазме происходят процессы трансляции: последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК переводится в последовательность аминокислотных остатков синтезируемой молекулы белка. Сначала молекула одной из 20 аминокислот присоединяется к определенной молекуле тРНК, затем иРНК связывается с рибосомой, а потом — и с аминокислотным остатком, присоединенным к определенной молекуле тРНК. На следующих этапах полипептидная цепь удлиняется благодаря тому, что аминокислотные остатки последовательно связываются между собой с помощью крепких химических (пептидных) связей.
• Процессы синтеза белка прекращаются, когда рибосома достигает триплета, который сигнализирует о прекращении синтеза полипептидной цепи. На заключительном этапе синтезированный белок приобретает свою естественную пространственную структуру.
• Биосинтез ДНК основан на способности молекул ДНК к самоудвоению, вследствие чего дочерние молекулы становятся точной копией материнской. Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются по принципу комплементарности на молекулах ДНК.
• Особый тип биохимических реакций, когда молекула одного соединения служит моделью — матрицей — для синтеза молекулы другого вещества, получил название реакций матричного синтеза. Они служат основой одного из главных свойств биологических систем - способности к самовоспроизведению.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль ДНК в биосинтезе белков? 2. Что такое генетический код и каковы его свойства? 3. Каковы основные этапы процесса биосинтеза белков? 4. Какую роль играют рибосомы в процессе биосинтеза белков? 5. Как генетическая информация, закодированная в молекуле ДНК, реализуется во время синтеза белковой молекулы? 6. Почему большинство аминокислот, входящих в состав белков, закодированы не одним, а несколькими триплетами? 7. Чем отличаются процессы биосинтеза ДНК и РНК? 8. Что такое реакции матричного синтеза?

Подумайте

1. Почему ДНК самоудваивается лишь во время интерфазы? 2. Какое биологическое значение того, что на молекуле иРНК одновременно находится не одна, а несколько рибосом?