2. Генетичний код

Код ДНК вдалося розшифрувати майже повністю. Суть коду ДНК така. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ланцюга ДНК з трьох нуклеотидів, що стоять поряд. Наприклад ділянка Т.-Т-Т відповідає амінокислоті лізину, ділянка А-Ц-А- цистеїну, Ц-А-А- валіну і т.д.

Поділивши цей ряд на трійки (триплети), відразу розшифруємо, які амінокислоти і в якій послідовності в молекулі білка:

А-Ц-А Т-Т-Т А-А-Ц Ц-А-А Г-Г-Г

Цистеїн Лізин Лейцин Валін Пролін

У коді Морзе тільки два знаки для позначення усіх букв, усіх цифрі розділових знаків. Тому доводиться брати на деякі букви або цифри по п’ять знаків. Код ДНК простіший. Різних нуклеотидів 4. Кількість можливих комбінацій з 4 елементів по 3 дорівнює 64. А різних амінокислот лише 20. Отже, різних триплетів нуклеотидів з надлишком вистачає для кодування всіх амінокислот.

Транскрипція.

Для синтезування білків в рибосоми повинна надійти програма синтезу, тобто інформація про структуру білка, яка записується і зберігається в ДНК. У рибосоми подаються точні копії цієї інформації. Це робиться за допомогою РНК, які синтезуються на ДНК і точно копіюють її структуру. Послідовність нуклеотидів РНК точно повторює послідовність нуклеотидів в одному з ланцюгів гена. Цей процес називають транскрипцією (лат.”транскрипціо - переписування). З кожного гена можна зняти будь-яку кількість копій РНК. Ці РНК, що несуть до рибосом інформацію про склад білків, називають інформаційними (і-РНК).

Щоб зрозуміти, як “переписуються” на РНК склад і послідовність розміщення нуклеотидів у гені, пригадаємо принцип комплементарності, за яким побудована двоспіральна молекула ДНК (Нуклеотиди одного ланцюга обумовлюють характер розміщення напроти нуклеотидів другого ланцюга. Якщо в одному ланцюзі міститься А, то на тому самому рівні другого ланцюга стоїть Т, а проти Г завжди буває Ц. Інших комбінацій не буває. Принцип комплементарності діє і в синтезі інформаційної РНК. Як це відбувається, видно з малюнка 71.

Малюнок 71.Схема синтезу інформаційної РНК:1-ДНК,2-РНК.

\ \ \

Ц ---Г Ц

\ \ \

Ц---Г Ц

\ \ \

Г---Ц Г

\ \ \

Т---А У

\ \ \

Ц---Г Ц

\ \ \

А---Т А

\ \ \

А---Т А

\ \ \

Г---Ц Г

\ \ \

А---Т А

\ \ \

Т---А У

\ \ \

Ц---Г Ц

\ \ \

Проти кожного нуклеотиду одного з ланцюгів ДНК стає комплементарний до нього клеотид інформаційної РНК (в РНК заміть тимідилового нуклеотиду (Т) міститься уридиловий нуклеотид (У).Отже, проти Г днк стає Ц рнк , Ц днк – Г рнк, проти Г днк – А рнк. Ланцюжок РНК, який при цьому утворюються, за складом і послідовністю нуклеотидів є точною копією складу і послідовністю нуклеотидів одного з ланцюгів ДНК. Молекули інформаційної РНК прямують до місця, де синтезується білок. Туди ж іде цитоплазми потік матеріалу, з якого будується білок, тобто амінокислоти. У цитоплазмі клітин завжди є амінокислоти, які утворюються внаслідок розщеплення білків поживних речовин.

Транспортні РНК.

Амінокислоти потрапляють до рибосоми не самостійно, а в супроводі транспортних РНК(т-РНК). Молекули т-РНК не великі - вони складаються всього із 70-80 нуклеотидних ланок. Їх склад і послідовність для деяких т-РНК вже установлено повністю. З’ясувалось, що в ряді місць ланцюжка т-РНК 4-7 нуклеотидних ланок комплементарні одна до одної. На малюнку 72 такі ділянки позначені літерами А,Б,В,Г. Наявність комплементарних послідовностей у молекулі приводить до того, що ці ділянки при достатньому зближенні злипаються одна з одною внаслідок утворення водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами. Виникає складна петляста структура, яка формою нагадує листок конюшини. До одного з кінців молекули т-РНК приєднується амінокислота (Д), а в верхівці «листка конюшини» розміщується триплет нуклеотидів (Е), який відповідає за кодом даній амінокислоті. Оскільки є не менш як 20 різних т-РНК: на кожну кислоту – своя т-РНК.

Реакції матричного синтезу. У живих системах ми зустрічаємося з новим типом реакцій на зразок редуплікації ДНК, або реакцією синтезу РНК. Такі реакції невідомі в неживій природі. Їх називають реакціями матричного синтезу.

Терміном «матриця» у техніці позначають форму, яку використовують для відливання монет, медалей, друкарського шрифту: затверділий метал точно відтворює всіх деталі форми, яку використали для відливання. Матричний синтез нагадує відливання на матриці: нові молекули синтезуються точно відповідно до плану. Закладеного в структурі молекул, які вже існують. Матричний принцип лежить в основі найважливіших синтетичних реакцій клітини, таких, як синтез нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях витримується точна, цілком специфічна послідовність мономерних ланок у полімерах, які синтезуються. Тут спрямовано стягуються мономери до певного місця клітини-на молекули, що є матрицею, де й проходить реакція. Якби такі реакції відбувалися в результаті випадкового зіткнення молекул, вони б були безмірно повільними. На основі матричного принципу складні молекули синтезуються швидко і точно.

Роль матриці в матричних реакціях виконують макромолекули нуклеїнових кислот - ДНК або РНК. Мономерні молекули, з яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти – відповідно до принципу компліментарності розміщуються і фіксуються на матриці в цілком певному, заданому порядку. Потім пономерні ланки «зшиваються» в полімерний ланцюг, і готовий полімер скидається з матриці. Після цього матриця готова до складання нової полімерної молекули. Подібно до того як на даній формі може відливатися тільки якась одна монета, одна літера, так само на даній матричній молекулі може «складатися» лише якийсь один полімер.

Матричний вид реакцій - специфічна особливість хімізму живих систем. Ці реакції є основною фундаментальнії властивості всього живого-здатності відтворювати собі подібне. Трансляція. Інформація про структуру білка, записана в і-РНК у вигляді послідовності нуклеотидів, переноситься далі у вигляді послідовності амінокислот у поліпептидний ланцюг, який синтезується. Цей процес називається ( лат. « трансляція »-перенесення, переклад ). Щоб розібратися в тому, як у рибосомах відбувається трансляція, тобто переклад інформації з

мови нуклеїнових кислот на мову білків,(розглянемо мал.73). На ньому рибосоми зображено у вигляді яйцевидних тіл, які унизують і-РНК. У міру складання білкової молекули рибосома повзе по і-РНК (на малюнку зліва на право).Коли вона просунеться вперед на 50-100 А, з того самого кінця і-РНК входить друга рибосома, що, як і перша, починає синтез і рухається слідом за першою рибосомою. Потім на і-РНК на і-РНК входить третя рибосома, четверта і т.д. Усі вони виконують однакову роботу:кожна синтезує один і той самий білок, запрограмований на даній і-РНК. Чим далі вправо просунулась рибосома на і-РНК, тим більшу частину білкової молекули ”складено”.Коли рибосома досягне правого кінця і-РНК, синтез закінчено. Рибосома разом з утвореним білком сходить з і-РНК. Потім вони розходяться: рибосоми на будь-яку і-РНК (оскільки вона здатна до синтезу будь-якого білка; характер білка залежить від матриці), білкова молекула-до ендоплазматичної сітки і по ній до тієї ділянки клітини, де потрібний даний вид білка. Через короткий час закінчує роботу друга рибосома, потім третя і т.д. А з лівого кінця і-РНК на неї надходять усе нові й нові рибосоми, і білок синтезується безперервно. Кількість рибосом, яка вміщується одночасно на молекулі і-РНК, залежить від її довжини. Так на молекулі і-РНК, яка програмує синтез білка гемоглобіну і довжина якої близько 1500 А, вміщує до п’яти рибосом (діаметр рибосоми приблизно 200 А).Групу рибосом ,яка одночасно вміщується на одній молекулі і-РНК, називають полірибосомою.

Тепер спинимося докладніше на механізмі роботи рибосоми. Рибосома під час руху по і-РНК в кожний даний момент перебуває в контакті з невеликою ділянкою її молекул. Можливо, розмір цієї ділянки дорівнює лише одному триплету нуклеотидів. Рибосома пересувається по і-РНК не плавно , а переривчасто, ”кроками”, триплет за триплетом. На якійсь відстані від місця контакту рибосоми з і-РНК розташований пункт “складання” білка: тут міститься і діє фермент білок - синтезу, який створює поліпептидний ланцюг, тобто утворює пептидні зв’язки між амінокислотами.

Саме механізм “складання ” білкової молекули в рибосомах такий. У кожну рибосому, яка входить до складу полірибосоми, тобто в ту, яка рухається по і-РНК, з навколишнього середовища неперервним потоком ідуть молекули т-РНК з “навішаними ” на них амінокислотами. Вони проходять, зачіпаючи своїм кодовим кінцем місце контакту рибосоми з і-РНК, доторкаються до триплету нуклеотидів і-РНК, який у цей момент перебуває в рибосомі. Протилежний кінець т-РНК (який несе амінокислоту)опиняється при цьому поблизу пункту “складання” білка. Але лише в тому разі, коли кодовий триплет т-РНК виявляється комплементарним до триплету і-РНК (який перебуває у цей час в рибосомі), амінокислота, доставлена т-РНК, потрапить до складу молекули білка й відокремиться відт-РНК. Одразу ж рибосома робить “крок” уперед по і-РНК на один триплет, а вільна т-РНК викидається з рибосоми в навколишнє середовище. Тут вона захоплює нову молекулу амінокислоти і несе її в будь-яку з рибосом, що працюють. Так поступово, триплет за триплетом, рухається по і-РНК рибосома і росте ланка за ланкою поліпептидний ланцюг. Так працює рибосома – цей чудовий органоїд клітини, який з повним правом називають “молекулярним автоматом” синтезу білка.

У лабораторних умовах штучний синтез білка потребує величезних зусиль, багато часу і коштів. А в живій клітині синтез однієї молекули білка завершується протягом 1-4 хв.

Роль ферментів у біосинтезі білка.

Не треба забувати, що кожний крок у процесі синтезу білка не відбувається без участі ферментів. Усі реакції білкового синтезу каталізуються спеціальними ферментами. Синтез і-РНК веде фермент, який “повзе” вздовж молекули ДНК від початку гена до його кінця і залишає за собою готову молекулу і-РНК. Ген у цьому процесі дає тільки програму для синтезу, а сам процес здійснює фермент. Без участі ферментів не сполучаються й амінокислоти з т-РНК. Є особливі ферменти, завдяки яким захоплюються і приєднуються амінокислоти до їхніх т-РНК. Нарешті, у рибосомі в процесі складання білка працює фермент, який зчіплює амінокислоти між собою.

Енергетика біосинтезу білка.

Ще одним дуже важливим питанням біосинтезу білка є його енергетика. Будь-який синтетичний процес являє собою ендотермічну реакцію і, отже, потребує затрати енергії. Біосинтез білка – ряд синтетичних реакцій:

1) синтез і-РНК;

2) сполучення амінокислот з т-РНК;

3) «складання» білка.

Усі ці реакції потребують енергетичних затрат. Енергію для синтезу білка дає реакція розщеплення АТФ. Кожна ланка біосинтезу завжди зв’язана з розпадом АТФ.

Компактність біологічної організації.

У процесі вивчення ролі ДНК з’ясувалося, що явище запису, зберігання і передавання спадкової інформації здійснюється на рівні молекулярних структур. Завдяки цьому досягається дивовижна компактність “робочих механізмів”, надзвичайна економність їх розміщення в просторі. Відомо, що вміст ДНК.

В одному сперматозоїді людини становить 3,3*10 в -12 степені г. Така сама кількість міститься і в яйцеклітині людини. Отже, у 6,6*10 в -12 степені г. ДНК міститься вся інформація, яка визначає розвиток людини. Підраховано, що всі запліднені яйцеклітини, з яких розвинулися всі люди, що нині живуть на Землі, містять стільки ДНК, скільки її вміщується в головці шпильки.