Нуклеиновые кислоты. Биосинтез белка

Структура ДНК была открыта американцем Д. Уот­соном и англичанином Ф. Криком. За это открытие века в 1962 г. они были удостоены Нобелевской премии. Строение молекулы ДНК позволяет осуществлять пе­редачу наследственных признаков организма. Участие в явлениях наследственности и представляет главное назначение этого уникального вещества.

ДНК находится главным образом в ядре клетки, но в небольших количествах она найдена также в мито­хондриях и хлоропластах. В отличие от ДНК, РНК рас­полагается во всех структурных компонентах и органеллах клетки: ядре, рибосомах, митохондриях, плас­тидах, а также в гиалоплазме.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нукле­отиды, которые, в свою очередь, состоят из трех соеди­нений: азотистого основания - пиридинового или пуринового; сахара - рибозы (С₅Н_I0О₅) или дезокси­рибозы (С₅Н_I0О₄); остатка ортофосфорной кислоты.

Нуклеотиды при соединении друг с другом, обра­зуют длинные полимерные цепи. Связь между нукле­отидами осуществляется через остаток фосфорной кислоты одного и сахарный компонент другого:

Полинуклеотидная цепь состоит из многих сотен и даже тысяч отдельных нуклеотидов. Рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислота разли­чаются своим сахарным компонентом: в молекуле РНК это рибоза, в ДНК - ее производное - дезоксирибо­за, которая отличается от рибозы только тем, что у второго углеродного атома в ее молекуле стоит не гидроксильная группа, а атом водорода.

В состав молекул ДНК и РНК входят по четыре азотистых основания. Три из них одинаковы: аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Четвертое основание в составе молекулы РНК - урацил (У), а ДНК - тимин (Т). У и Т являются пиримидиновыми основаниями, А и Г - пуриновыми:

РНК и ДНК отличаются по структуре молекул: первая состоит из одной полинуклеотидной цепи, вто­рая - из двух. Двойную полинуклеотидную цепь ДНК схематично можно изобразить следующим образом:

Цепочки нуклеотидов в молекуле ДНК расположе­ны так, что их основания направлены внутрь, а угле­водные и фосфорные группы - наружу. Азотистые основания двух полинуклеотидных цепей соединены друг с другом при помощи водородных связей. Эти связи подчинены строгой закономерности: аденин обя­зательно соединен с тимином, а гуанин - только с цитозином. Такое расположение нуклеотидов называ­ется комплементарным. Между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц - три.

Две полинуклеотидные цепи молекулы ДНК спи­рально закручены одна вокруг другой. Внешний вид молекулы ДНК грубо можно представить в виде спи­ральной лестницы, стойки которой состоят из сахаро­фосфатных нитей, а перекладины - из комплементар­ных пар азотистых оснований, предопределяя основу генетического кода.

Согласно принципу комплементарности определен­ная последовательность нуклеотидов в одной полинук­леотидной цепи молекулы ДНК автоматически ведет за собой строго определенную последовательность нуклеотидов другой цепи. В последнее десятилетие стало очевидным, что некоторые параметры классической В-­формы нужно пересмотреть и даже что ДНК может образовывать другие типы двуспиральных структур. Под полиморфизмом ДНК подразумевается способность двойной спирали принимать различные конформации (А-, В- и Z-формы).

При делении клеток количество ДНК увеличивается вдвое. Перед митозом происходит процесс репликации (самоудвоения) ДНК. Механизм репликации был пред­ложен Дж. Уотсоном и Ф. Криком и назван полуконсервативным, поскольку первая полинуклеотидная цепь представлена одной из исходных, а вторая синтезирует­ся заново. Других веществ, способных к редупликации, в природе нет. На первом этапе самоудвоения двойная цепь ДНК раскручивается, и цепи исходной молекулы с одного конца начинают расходиться. Эта расплетенная часть молекулы называется репликативной вилкой. Против каждой такой разомкнутой нити, согласно принципу комплементарности, встают нуклеотиды. Собранные с помощью ферментов полимераз нити смыкаются в двухцепочную молекулу ДНК.

Поэтому при митозе дочерние клетки получают наследственную информацию, совершенно аналогич­ную с имеющейся в ДНК материнской клетки.

Редупликация ДНК тесно связана с другими про­цессами, протекающими в клетке, в частности, с био­синтезом сахарного и азотистого компонентов, а затем и нуклеотидов в целом.

Распад нуклеиновых кислот, в котором участвуют соответственно ферменты дезоксирибонуклеаза и ри­бонуклеаза, идет до нуклеотидов. Образующиеся при гидролизе нуклеиновых кислот нуклеотиды могут вновь пойти на образование ДНК и РНК или распадаются дальше на более мелкие молекулы: азотистые основа­ния, сахар и остатки фосфорной кислоты, которые используются в различных биосинтезах, превращени­ях ряда веществ в растении.

У нуклеиновых кислот, как и у белков, различают первичную, вторичную и третичную структуру. Пред­полагается наличие и четвертичной структуры. Пер­вичной структурой нуклеиновых кислот называют пос­ледовательное чередование нуклеотидных остатков. ДНК обычно существует в виде разнообразных волок­нисто-кристаллических вторичных структур. Третичная структура ДНК характеризуется сложной суперспира­лизацией, образованием различных кольчатых форм, компактных клубков.

Характерной особенностью вторичной структуры РНК является спирализация полинуклеотидной цепи в строго фиксированных зонах, а третичной - образо­вание из спиральных цепочек различных по форме клубков и петель.

По функциональному значению, локализации и молекулярным массам выделяют информационные, транспортные и рибосомальные РНК.

Информационные РНК выполняют матричную фун­кцию в процессе синтеза белка, образования по­липептидных цепей.

Транспортные РНК располагаются в цитоплазме, ядерном соке, в строме хлоропластов и матриксе митохондрий. Они осуществляют кодирование ами­нокислот и перенос их в рибосомальный аппарат клетки.

Рибосомальные РНК, располагаясь в рибосомах, являются их структурной основой.

В молекуле ДНК записана информация о первич­ной структуре всех белков данной клетки в виде гене­тического кода, т. е. каждая молекула аминокислоты закодирована определенным сочетанием 3-х нуклеоти­дов (триплетов) ДНК в форме кодонов.

Определенному сочетанию этих 3-х нуклеотидов в молекуле ДНК соответствует определенное сочетание аминокислот в молекуле белка. Например, кодон на мо­лекуле ДНК молекулы аминокислоты тирозина (Тир) ­ТГА. По принципу комплементарности кодон Тир на молекуле иРНК представлен АЦУ (вместо тирозина (Т), здесь урацил). Как уже указывалось, наряду с иРНК в биосинтезе белка принимают участие и транспортные РНК (тРНК). Количество их равно числу протеиноген­ных аминокислот. На одном конце тРНК будет распола­гаться антикодон молекулы Тир УГА, а другой будет слу­жить для прикрепления аминокислоты. Если на молекуле ДНК находится триплет ТГА, то к полипептиду в полири­босоме клетки присоединится с помощью пептидной связи -CO-NH - активированная аминокислота Тир.

Ниже приведена упрощенная схема биосинтеза белка: между кодоном и антикодоном в результате их комплементарного взаимодействия возникают водородные связи. Молекулы же аминокислот с помощью особых ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз, факторов инициации (начала), удлинения (элонгация) собираются в строго определенную последовательность образу­ющегося белка. Очередная молекула аминокислоты отрывается от тРНК, а участок иРНК с еще прикрепленной к ней тРНК выходит из рибосомы, тРНК освобождается и вновь может принять участие в процессах трансляции. Рибосома, передвигаясь на три нук­леотида (транслокация), захватывает новые комплексы тРНК с подвешенными к ним соответствующими ами­нокислотами, и цепь белка удлиняется.

Следует подчеркнуть, что биосинтез белка слож­нейший процесс и здесь дана лишь весьма упрощен­ная его схема. Так, например, необходимо было бы указать, что на первом этапе реализации генетической информации (синтез иРНК) фермент РНК полимераза «узнает» сигнал начала транскрипции - промотор (уча­сток ДНК) и, присоединяясь к нему, расплетает двой­ную полинуклеотидную цепочку ДНК и с этого момен­та копирует ее в образующейся цепочке молекулы иРНК в соответствии с принципом комплементарнос­ти. Далее по мере передвижения фермента растущая цепь иРНК отходит от молекулы ДНК, как от матрицы, а двойная цепочка ДНК восстанавливается. После до­стижения ферментом конца копируемого участка (тер­минатора) иРНК отделяется от матрицы. Известно, что у онкогенных вирусов открыта обратная транскрипция, т.е. перенос наследственной информации с РНК ви­руса на ДНК хозяина. Участок ДНК, транскрипция ко­торого осуществляется на одну молекулу иРНК, носит название оперона. Он может включать один или не­сколько генов, содержит регуляторные элементы, такие как промотор (участок начала процесса транскрипции), оператор, с которым связан репрессор (белок, подавля­ющий транскрипцию), терминатор (сигнал к прекраще­нию процесса транскрипции). Терминатор находится в самом конце оперона. С помощью особых продуктов метаболизма - эффекторов скорость биосинтеза иРНК может повышаться или снижаться. Сказанное иллюст­рируется схемой (по Ф. Жакобу и Ж. Моно):

Не менее сложна совокупность реакций, носящих название трансляции.

Ниже приводится генетический код - единая для всех живых организмов универсальная система запи­си наследственной информации в молекулах нуклеи­новых кислот в виде последовательности нуклеотидов.

Следует отметить следующие свойства генетичес­кого кода:

• триплетность - каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов;

• вырожденность, ибо многие аминокислоты коди­руются несколькими кодонами;

• однозначность, т.е. каждый отдельный кодон ко­дирует только одну аминокислоту;

• неперекрываемость (кодоны одного гена не пере­крываются);

• компактность (в молекуле иРНК между кодонами нет нуклеотидов, не входящих в последователь­ность кодонов данного гена).

Таким образом, нуклеиновые кислоты принимают непосредственное участие в биосинтезе молекул бел­ков. Этот сложнейший биохимический процесс делит­ся на четыре основных этапа:

1. Образование информационной РНК.

2. Активирование аминокислот при участии АТФ с образованием комплекса аминокислоты с аденозинмо­нофосфатом.

3. Взаимодействие активированных аминокислот с транспортными РНК.

4. Сборка молекул белков путем образования пеп­тидных связей.

Генетическая информация от ДНК к рибосомам передается посредством информационной РНК, син­тезируемой в ядре на одной из цепей молекулы ДНК, как на матрице. Информация относительно первичной структуры того или иного белка записана на соответ­ствующем участке молекулы ДНК, называемом геном: последовательность трех соседних нуклеотидов (трип­лет) кодирует одну определенную аминокислоту в по­липептидной цепи. Переписав эту информацию в про­цессе транскрипции, информационная РНК затем выходит из ядра, соединяется с рибосомами и переда­ет эту информацию для синтеза данного белка в про­цессе трансляции:

липиды

Важную роль в проявлении свойств живой клетки играют липиды:

• они являются структурными компонентами биоло­гических мембран и определяют проницаемость как клетки в целом, так и клеточных компонентов, активность ряда ферментов;

• участвуют в процессах адсорбции различных ве­ществ;

• откладываются в запас;

• выполняют защитные функции, предохраняя растения от обезвоживания, проникновения инфек­ции, повышая устойчивость растений к низкой от­рицательной температуре;

• обладают способностью ориентирования молекул различных веществ относительно структурных ком­понентов клетки и т. д.

Содержание их составляет 2 - 3 % на сухую массу, а в маслянистых семенах - до 60 %.

Липиды обладают характерными гидрофобными свойствами, нерастворимы в воде. Растворяются они лишь в различных органических растворителях: бен­зине, бензоле, хлороформе, эфирах. В группу липи­дов входят жиры и жироподобные вещества, или ли­поиды. Отсюда различная химическая природа ли­пидов.

Жиры являются важнейшими запасными веще­ствами клетки, фосфолипиды, гликолипиды и стерои­ды - компонентами биологических мембран. Воски выполняют защитную роль, покрывая поверхность листьев и плодов.

В химическом отношении жиры - сложные эфи­ры, состоящие из трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных насыщенных (не содержащих двойных связей) и ненасыщенных (с двойными связя­ми) жирных кислот. Соотношение насыщенных и нена­сыщенных жирных кислот и их абсолютное количество влияют на свойства жиров. К насыщенным жирным кислотам относят пальмитиновую, стеариновую и др., к ненасыщен­ным - олеиновую, линолевую, линоленовую и др.

Общая формула жиров имеет следующий вид:

К липоидам относятся воски, фосфолипиды, гли­колипиды, сульфолипиды, стероиды.

Фосфолипиды отличаются от жиров наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты:

Если молекулы фосфолипидов содержат остатки холина, то они носят название лецитинов; фосфатилсерином называют фосфолипид, содержащий оста­ток серина, фосфатидилэтанолимином (кефалином) - ­фосфолипид, содержащий остаток этаноламина.

Фосфолипиды обладают полярностью: так называ­емая головка молекулы фосфолипида, состоящая из холина или других указанных выше веществ и фосфор­ной кислоты, имеет гидрофильные, а остатки жирных кислот другого конца молекулы - гидрофобные свой­ства. Ориентированные строго определенным образом на границе раздела двух фаз, фосфолипиды играют важную роль как в структуре цитоплазмы и биологи­ческих мембран, так и в определении их свойств, в частности проницаемости, а также активности мемб­ранных ферментов.

Воски представляют собой сложные эфиры, обра­зованные жирными кислотами и высокомолекулярны­ми одноатомными спиртами. В их состав входят как уже названные жирные кислоты, так и характерные только для восков: карнаутовая, церотиновая, монтановая и др.

Гликолипиды - сложные соединения, которые образуются путем взаимодействия жирных кислот не только с глицерином, но и с углеводами. В качестве углеводных компонентов выступают галактоза, а также глюкоза и шестиатомный спирт инозит. При взаи­модействии с сульфатом гликолипиды образуют суль­фолипиды - вещества, принимающие участие в струк­туре хлоропластов. Гликолипиды, входя в состав био­логических мембран, играют важную роль в регулировании метаболизма клетки. Выполняют они и запасную функцию в растениях.

Стероиды - вещества со сложной циклической структурой, возникающие путем конденсации терпе­ноидов, исходным материалом которых служит ацетил (СН₃СО). К стероидам относят стеролы и их производ­ные. Наиболее распространенным стеролом у расте­ний является эргостерол, который содержит­ся в семенах ряда растений, в плесневых грибах, дрож­жах. Стероиды или стерины часто называют псевдолипидами, ибо они не являются производными жирных кислот. Подобную химическую природу име­ют и другие псевдолипиды - терпены и убихиноны.

Представителями терпенов являются изопрен (С₅Н₈), монотерпены (С₁₀Н₁₆), секвитерпены (С_I5Н₂₄), дитерпены (С₂₀Н₃₂), тритерпены (С₃₀Н₄₈ - смолы, ла­тексы), тетратерпены (С₄₀Н₅₆ - каротины, ксантофил­лы) и политерпены (С₅Н₈) - каучук, гутта. Цикличес­кий монотерпен лимонен является непременной со­ставной частью эфирных масел цитрусовых и некоторых других растений (укроп), а дициклические терпены пинен и карен входят в состав живицы хвой­ных древесных пород.

К убихинонам относят группу замещенных бен­зохинонов. Они являются коферментами и выполняют важные функции в окислительном фосфорилировании в качестве переносчиков электронов в ЭТЦ между флавопротеинами и цитохромом b. Пластохинон хло­ропластов растений участвует в фотосинтетическом нециклическом фосфорилировании, перенося электро­ны от их акцептора к цитохрому b.