Управление внутриклеточными синтезами осуществляется из ядра клетки. На активных участках хромосом синтезируются молекулы РНК. Они транспортируются к поровым комплексам и поступают в цитоплазму. На рибосомах из аминокислот происходит сборка белков, которые в соответствии с их назначением можно отнести к трем группам. Одна группа - это структурные белки, которые используются клеткой для построения собственных органелл; другая - белки, выделяемые клеткой вовне, это ее секреты; третья группа - ферменты, которые обеспечивают все внутриклеточные биохимические превращения как катализаторы. Часть ферментов остается в цитоплазме. Одни из них функционируют в гиалоплазме, другие же встраиваются в органеллы. Часть ферментов направляется в ядро и там регулирует считывание генетической информации с ДНК и матричный синтез РНК. Также возвращаются в ядро те белки, которые участвуют в построении самих хромосом.
Рис. 41. Фагоцитоз:
1 - бактерия; 2 - псевдоподии фагоцита (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Вещества, которые синтезируются на мембранах ЭПС, поступают в транспортные пузырьки и доставляются к комплексу Гольджи, где происходит их модификация. В комплексе Гольджи осуществляется сегрегация веществ, в результате чего они затем распределяются по клетке в зависимости от дальнейших путей использования (см. рис 36).
Синтез каждого определенного специфического белка определяется геном. Ген — это участок ДНК, являющийся элементарной частицей генетической информации. Он характеризуется определенной последовательностью нуклеотидов.
Центральная догма современной биологии характеризует одну из основ жизни следующим образом:
Иными словами, наследственная информация, заключенная в ДНК, передается по наследству благодаря ее самоудвоению (репликации). Генетическая информация, записанная в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в процессе транскрипции переписывается в нуклеотидную последовательность РНК, которая, в свою очередь, определяет последовательность аминокислот соответствующей белковой молекулы.
Благодаря наличию ядерной оболочки в клетках человека (и других эукариот) процессы транскрипции и трансляции проходят в разных структурах и разделены во времени.
Синтез белка (трансляция) связан с процессом транскрипции - переписывания информации, хранящейся в ДНК, поэтому мы начинаем описание с последнего.
Транскрипция осуществляется в ядре (рис. 42). Информация о структуре белка, заключенная в ДНК, «переписывается» на информационную РНК (мРНК). При этом с одного гена может «переписываться» множество молекул мРНК. Они подвергаются в ядре процессингу, после чего транспортируются из ядра в цитоплазму, где и выполняют свои функции. Процессинг (англ. processing - обработка) - совокупность реакций, ведущих к превращению первичных неактивных транскриптов в функционирующие молекулы.
В клетках существует три типа РНК. Среди них информационная (мРНК) переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК к рибосомам. В образовании рибосом участвует рибосомная РНК (рРНК). Небольшие транспортные РНК (тРНК) выполняют двойную функцию: они присоединяют молекулу аминокислоты, транспортируют ее к рибосоме и узнают триплет, соответствующий этой аминокислоте в молекуле мРНК.
В середине молекулы тРНК имеется группировка из трех азотистых оснований, называемая антикодоном. Антикодон может связаться с определенной группировкой трех оснований на мРНК - с кодоном. Действительно, после сближения молекул антикодон тРНК узнает кодон мРНК и спаривается с ним.
Генетический код, расшифрованный в 60-х годах XX в. М. Ниренбергом, У. Холлом и X. Кораной, основан на триплетах, или кодонах, - три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты (табл. 7).
Генетический код отличается рядом важных свойств. Он триплетен: именно три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты. Генетический код вырожден, т. е. большинство аминокислот кодируются более чем одним триплетом. При этом одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами, однако первые два нуклеотида для них всегда одинаковы. Например, триплет -С-С-С- кодирует пролин. Кроме того, включение пролина может кодироваться триплетами CCU, CCA, CCG. Триплет AUG кодирует первую аминокислоту - метилметионин, с которой начинается синтез полипептидной цепи. Всего в генетическом коде имеется 64 кодона, три из которых (UAA, UGA и UAG) являются стоп-кодонами, завершающими синтез полипептидной цепи.
Рис. 42. Схема синтеза белка (объяснения е тексте)
Таблица 7
Генетический код
Триплетные комбинации азотистых оснований мРНК (U, С, A, G) определяют следующие аминокислоты: Phe - фенилаланин, Leu - лейцин, Не - изолейцин, Met - метионин, VaI - валин, Ser - серин, Pro - пролин, Thr - треонин, Ala - аланин, Туr - тирозин, His - гистидин, Gin - глутамин, Asn - аспарагин, Lys - лизин, Asp - аспарагиновая кислота, Glu - глутаминовая кислота, Cys - цистеин, Try - триптофан, Arg - аргинин, Gly - глицин. Звездочкой обозначены стартовые кодоны; триплеты ochre, amber и opal действуют как стоп-кодоны (по F. Crick)
Генетический код не перекрывается, хотя в нем отсутствуют знаки, отделяющие один триплет от другого. Например, в последовательности оснований UUCAUUGUU первые три основания кодируют одну аминокислоту, вторые три - другую и т. д. Не может быть такой ситуации в приведенном примере, когда основание UUC кодирует одну аминокислоту, UCA - другую, a CAU - третью и т. д.
Код универсален, т. е. все живые организмы на планете Земля (включая вирусы) имеют один и тот же код. Рамка считывания определяет положение первого нуклеотида кодона гена (или мРНК).
Рибосомная и транспортная РНК (рРНК и тРНК) синтезируются на идентичных генах, которые (в отличие от генов мРНК) в каждой клетке имеются в виде множества копий. При этом рРНК синтезируется на описанных ядрышковых организаторах - участках ДНК, имеющих форму петель, которые находятся в ядрышке. Предшественник рРНК, синтезированный на ядрышковом организаторе, в ядрышке соединяется с рибосомными белками, синтезированными в цитоплазме и транспортированными в ядро, образуя крупные рибонуклеопротеидные частицы. Последние претерпевают процессинг, в результате которого в ядре образуются большая и малая субъединицы рибосом. Предшественники рибосом транспортируются в цитоплазму, где в ходе синтеза белка и происходит сборка самих рибосом.
Синтез самой молекулы белка (см. рис. 42) начинается с того, что молекула тРНК связывается с соответствующей аминокислотой, в результате чего образуется аминоацил-тРНК. Малая субъединица рибосомы связывается с инициаторной тРНК, несущей молекулу метилметионина. Этот комплекс присоединяется к инициаторному кодону мРНК (AUG). После этого к малой присоединяется большая субъединица рибосомы. Реакции синтеза белка осуществляют рибосомы, которые считывают информацию, заложенную в мРНК, продвигаясь вдоль нее в направлении 5’ —» 3'.
Рибосома связывает две молекулы тРНК: участок А рибосомы связывает аминоацил-тРНК, участок Р рибосомы - аминоацил-тРНК, связанную с растущей полипептидной цепью. Обе тРНК связываются с соседними кодонами мРНК. К рибосоме подходит следующая аминоацил-тРНК, и образуется первая пептидная связь.
Перемещаясь по цепи мРНК, рибосома присоединяет следующие аминокислоты, которые связываются между собой, а молекулы тРНК отделяются, чтобы вскоре присоединить новую аминокислоту. При достижении рибосомой стоп-кодона синтез прекращается, потому что к стоп-кодонам нет соответствующих антикодонов ни у одной тРНК. Полипептидная цепь отделяется от рибосомы.
Следует отметить, что в приведенном, изложении схема белкового синтеза сильно упрощена.