Глава 5. Ассимиляция

Сказка о передаче информации в клетке Синтез новых белков (трансляция) ! Подробнее о реакции переноса цепочки аминокислот с одной молекулы тРНК на другую. ! Запуск (инициация) и завершение (терминация) синтеза белковой молекулы. ! Ядерные и цитоплазматические белки Синтез новых молекул РНК (транскрипция) ! Созревание (сплайсинг и процессинг) РНК Удвоение молекул ДНК (репликация) ! Присоединение нового нуклеотида к молекуле РНК или ДНК.

Сказка о передаче информации в клетке

Представьте себе фабрику, выпускающую, ну, скажем, разнообразные кондитерские изделия. Много конвейеров, с одних один за другим сходят пирожки с повидлом, с других - торты "Птичье молоко", с третьих…….., и так далее. В центре завода - маленькая комната с большим числом дверей, а в ней - большая, можно сказать - огромная, поваренная книга. В комнату все время входят рабочие. Каждый такой рабочий некоторое время роется в книге, а затем выписывает из нее кулинарный рецепт-инструкцию, бросает его, снова роется в книге, выписывает следующий рецепт, и так далее. Готовые рецепты начинают беспорядочно плавать по комнате. Рано или поздно каждый рецепт выплывает наружу через дверь. Через несколько минут он доплывает до какого-нибудь конвейера, и этот конвейер начинает постепенно читать его, одновременно выполняя указанные в нем операции. Когда все операции выполнены, конвейер выгружает готовое блюдо, отпускает рецепт дальше плавать по фабрике, и захватывает какой-нибудь другой рецепт.

Время от времени оказывается, что фабрика достаточно разбогатела, чтобы приступить к созданию на ее основе двух дочерних предприятий. В какой-то момент в комнату начинают входить другие рабочие. Они постепенно переписывают книгу целиком, так что получается еще одна такая же книга. Однако в дверь книга не пролезает, поэтому перевозка одной из книг на новое место начинается с разборки комнаты на кирпичи. Затем из этих кирпичей заново собираются две новые комнаты. После этого все оборудование и персонал фабрики делится приблизительно пополам между двумя новыми фабриками.

В ролях:

Передача информации о структуре нуклеиновых кислот и белков:

Синтез новых белков (трансляция)

Синтез - это соединение нескольких молекул в одну, более сложную, молекулу. Синтез белка - сборка его молекулы из молекул аминокислот. Молекулы большинства белков собираются клеткой из 150-300 аминокислот. Для того, чтобы в правильном порядке соединить друг с другом эти аминокислоты, она должна иметь "инструкцию" для сборки каждого белка. В этой роли в клетке выступают молекулы информационной, или матричной, РНК (кратко «иРНК» или «мРНК»).. Причем одной аминокислоте соответствует группа из трех нуклеотидов - кодон.

?Сколько разных кодонов по три нуклеотида можно составить из четырех нуклеотидов РНК?

?Какое максимальное число аминокислот можно было бы закодировать, если бы каждый кодон состоял из двух нуклеотидов? Из одного нуклеотида?

Синтезом белков занимаются рибосомы - очень сложные молекулярные "машины". Каждая рибосома состоит из двух неравных частей. Их называют большая и малая субъединицы. Всего в обоих субъединицах одной рибосомы примерно 80 молекул белков и 4 разных молекулы РНК (РНК, входящую в состав рибосом, называют рибосомальной, сокращенно рРНК). Новые субъединицы рибосом образуются в ядрышке. Оттуда они выходят в цитоплазму через ядерные поры.

Рисунок 28

В цитоплазме обе субъединицы объединяются в целую рибосому на специальном стартовом участке любой молекулы информационной РНК (кратко иРНК или мРНК). Далее рибосома постепенно "проползает" всю молекулу иРНК до тех пор, пока не наткнется на сигнал прекращения синтеза белка - один из кодонов УАГ, УГА, УАА. При этом из нее "вылезает" готовая цепочка соединенных друг с другом аминокислот. Дойдя до сигнала прекращения синтеза, рибосома "сваливается" с молекулы иРНК, при этом большая и малая субъединицы отделяются друг от друга и от готового белка (рис. 28).

Рисунок 29

Теперь подробнее о том, как это делается. Аминокислоты к работающей рибосоме приносят специальные молекулы - транспортные РНК (кратко тРНК, см. рис. 29). Различные тРНК отличаются друг от друга антикодонами - тройками нуклеотидов, расположенными в определенном месте молекулы. В животных клетках обычно обнаруживается 61 тип тРНК, причем тРНК каждого типа занимается переноской одной определенной аминокислоты (обратное неверно: некоторые аминокислоты переносятся 2-3 типами тРНК).

Рисунок 30

Специальные белки - кодазы (синоним аминоацил-тРНК-синтетазы) занимаются "подвешиванием" аминокислот к соответствующим тРНК. Каждый из них присоединяет к себе "свою" тРНК и "свою" аминокислоту (рис. 30), и затем соединяет их друг с другом.

? Как Вы думаете, сколько в клетке должно быть типов аминоацил-тРНК-синтетаз? Обсудите эту проблему с учителем.

Рисунок 31

В большой субъединице рибосомы есть два углубления А и Б, удобных для "посадки" молекул тРНК (рис. 31). Любая проплывающая мимо тРНК с висящей на ней аминокислотой может сесть в свободное углубление Б. Однако "прилипнет" она только в том случае, если ее антикодон окажется комплементарен кодону иРНК, в данный момент расположенному под этим углублением.

Когда это произойдет, вся цепочка аминокислот, висящая на тРНК в углублении А, будет прикреплена к аминокислоте, "приехавшей" на новой тРНК.

! Подробнее о реакции переноса цепочки аминокислот с одной молекулы тРНК на другую.

Рисунок 32

На рис. 32 показано, как это делается. По сути дела, между молекулами происходит обмен участками: атом водорода молекулы в А-участке рибосомы и цепочка аминокислотных остатков, висящая на тРНК в Б-участке, меняются местами.

тРНК из углубления А, лишившись аминокислоты, уплывает в цитоплазму. После этого рибосома делает "шаг" длиной в три нуклеотида как бы "мимо" тРНК, прилипшей своим антикодоном к иРНК. В результате эта тРНК с висящей на ней цепочкой аминокислот оказывается в углублении А. А в освободившееся углубление Б садится новая тРНК с аминокислотой, и все повторяется сначала. Цепочка аминокислот по мере выхода из рибосомы сворачивается во вторичную и третичную структуры.

! Запуск (инициация) и завершение (терминация) синтеза белковой молекулы.

Рисунок 33

Как уже рассказывалось, большие и малые субъединицы рибосом образуются в ядрышке. После выхода в цитоплазму малая субъединица соединяется с определенной молекулой тРНК (она называется инициаторная тРНК), на которой в этот момент уже "висит" аминокислота метионин (см. рис. 33). После этого малая субъединица присоединяет молекулы еще двух белков (они называются факторы инициации трансляции). К 5'-концу иРНК присоединена специальная молекула - кэп (по-английски "cap" означает "шапочка, колпачок"). Малая субъединица, соединенная со всеми перечисленными молекулами, "узнает" кэп с присоединенными к нему еще несколькими факторами инициации трансляции, и начинает ползти от него по иРНК в сторону 3'-конца. При этом антикодон инициаторной тРНК все время как бы ощупывает иРНК, и, в какой-то момент, прилипает к комплементарной ему тройке нуклеотидов - стартовому, или инициирующему, кодону АУГ. Малая субъединица останавливается и не трогается с места до тех пор, пока к ней не присоединится большая субъединица рибосомы. Затем к рибосоме присоединяется еще одна молекула тРНК, и начинается синтез белка. В начале любой белковой молекулы при таком способе синтеза, естественно, оказывается одна и та же аминокислота - метионин. Однако метионин впоследствии обычно "отрезается" специальным ферментом - гидролазой. Изготовление многих белков включает еще несколько операций (все вместе они обозначаются словами процессинг белков), например, вырезание участка из середины цепочки аминокислот, присоединение к вариабельной части какой-то аминокислоты остатка фосфорной кислоты и т.п.

Рисунок 34

Синтез белка всегда останавливается на одном из трех так называемых нонсенс-кодонов. Слово "нонсенс" означает "чепуха, бессмыслица". Дело в том, что эти три кодона не комплементарны никаким антикодонам тРНК. Поэтому рибосома, дойдя до нонсенс-кодона, останавливается (см. рис. 34). В цитоплазме имеются специальные белки, "вызволяющие" рибосому из подобного затруднительного положения. Они называются факторы терминации трансляции. Такой белок присоединяется к рибосоме, остановившейся перед нонсенс-кодоном, и гидролизует связь между тРНК и висящей на ее 3'- конце готовой цепочкой аминокислотных остатков, то есть белком. В результате белок отделяется от рибосомы, и сама рибосома разваливается на большую и малую субъединицы.

Рисунок 35

Для полноты картины осталось рассказать, как попадают в комплекс Гольджи молекулы пищеварительных ферментов и белков-переносчиков. Синтез этих белков происходит на мембране ЭПС (рис. 35). Затем от ЭПС отделяются мембранные пузырьки с этими белками и сливаются с цистернами комплекса Гольджи. В комплексе Гольджи происходит сортировка всех доставленных белков. Результат этой сортировки - формирование вакуолей различного назначения с соответствующими молекулами внутри, например, первичных лизосом.

! Ядерные и цитоплазматические белки

Как видите, все белки клетки синтезируются в цитоплазме. Однако многие из них выполняют ту или иную работу внутри ядра. Как же они туда попадают, и что мешает оказаться в ядре белкам цитоплазмы? Ядерные белки имеют специальный "пропуск" - короткую цепочку определенных аминокислотных остатков. Белки, окружающие ядерную пору, захватывают белки с таким "пропуском", "заталкивают" их внутрь ядра, и больше уже не выпускают. Оказалось, что белки ядерных пор затягивают в ядро даже маленькие кусочки резины, если на их поверхности имеются описанные "пропуска".

Синтез новых молекул РНК (транскрипция)

Рисунок 36

В одной клетке в среднем около десяти тысяч разных белков, так что каждая клетка должна иметь целую "библиотеку" "инструкций по сборке" этих белков. Почему-то никакие из известных клеток не хранят полного набора молекул иРНК. Информация об аминокислотном составе белков хранится и передается по наследству от материнской клетки дочерним в виде молекул другой нуклеиновой кислоты - ДНК. Гигантские (т.е. очень длинные) молекулы ДНК, хранятся в ядре клетки. По мере надобности специальный белок (РНК-полимераза) строит рядом с нужным участком ДНК молекулу РНК, комплементарную одной из двух цепочек ДНК (рис. 36). При этом РНК-полимераза узнает определенный участок ДНК - промотор, присоединяется сначала к нему, а затем начинает синтез РНК с точки, удаленной от промотора на определенное расстояние. Сразу после промотора обычно располагается оператор - участок, к которому могут прикрепляться различные регуляторные белки. Некоторые из них (репрессоры) мешают РНК-полимеразе прикрепляться к промотору. Другие (активаторы), наоборот, как бы делают промотор для РНК-полимеразы более липким. Далее располагается участок, РНКовую копию которого синтезирует РНК-полимераза (он называется "ген"), и, наконец, терминатор - сигнал остановки транскрипции. Весь описанный участок ДНК, состоящий из промотора, оператора, гена и терминатора транскрипции, называется оперон.

Рисунок 37

Начиная транскрипцию, РНК-полимераза разъединяет две комплементарные цепочки ДНК на небольшом участке (рис. 37), синтезирует из нуклеотидов кусочек РНК, комплементарный одной из цепочек ДНК, а затем начинает двигаться, одновременно разъединяя перед собой цепи ДНК, присоединяя новые нуклеотиды к 3'-концу кусочка РНК и вновь соединяя цепи ДНК позади себя. При этом за работающей РНК-полимеразой тянется "хвост" из свежеизготовленной РНК.

! Созревание (сплайсинг и процессинг) РНК

Рисунок 38

Любая молекула РНК до выхода из ядра наружу проходит сплайсинг, то есть специальные белки вырезают из нее ненужные участки (рис. 38). Это означает, что участок ДНК, с которого "считана" молекула РНК, содержал "бессмысленные" участки - интроны. "Осмысленные" участки ДНК, копии которых не вырезаются при сплайсинге РНК, называются экзонами. Про функции интронов еще далеко не все известно. Попробуйте предложить собственные идеи по этому поводу и обсудить их с Вашим учителем.

Многие типы РНК проходят еще и процессинг. Например, на 5'-конец иРНК "навешивается" кэп, а на 3'-конец - полимер, состоящий из приблизительно 200 остатков адениловой кислоты (его обычно кратко называют поли-А).

Дальнейшая судьба новых молекул РНК может быть различной (см. рис. 33).

Новая молекула иРНК выходит из ядра в цитоплазму, там на нее оседают субъединицы рибосом и начинают синтез молекул закодированных в ней белков. Обычно в цитоплазме имеется небольшое количество пищеварительных ферментов - гидролаз, разрушающих молекулы РНК (рибонуклеаз). Они свободно перемещаются по цитоплазме, и каждая молекула иРНК рано или поздно встречается с таким ферментом, "разрезающим" ее на отдельные нуклеотиды. На этом деятельность этой молекулы иРНК заканчивается, и синтез на ней белков прекращается.

ДНК любой клетки имеет специальные участки, на которых точно так же синтезируются новые молекулы транспортных и рибосомальных РНК.

Рисунок 40

Синтез рибосомальных РНК в ядре - первая стадия сборки целых субъединиц рибосом. В место, где это происходит (ядрышко), из цитоплазмы "приплывают" синтезированные там специальные ядерные "белки сопровождения", и налипают на молекулы рРНК, постепенно образуя будущие большие и малые субъединицы рибосом. В ядерной поре будущая субъединица проходит "переодевание": ядерные белки отделяются и уплывают вглубь ядра, так что в цитоплазму из ядерной поры выглядывают "голые" молекулы рРНК, и на них сразу же налипают "настоящие" рибосомальные белки (рис. 40).

Удвоение молекул ДНК (репликация)

Рисунок 41

В репликации (слово "реплика" означает "отпечаток, копия") участвуют 5 различных белков (рис. 41). Все вместе они образуют так называемую репликативную вилку. Репликативная вилка постепенно ползет вдоль молекулы ДНК, оставляя позади две новые молекулы ДНК. Первой движется хеликаза. Она разъединяет две нуклеотидные цепочки ДНК. На образовавшиеся одноцепочечные участки немедленно налипают стабилизирующие белки. Стабилизирующие белки не дают двум комплементарным друг другу цепочкам ДНК вновь соединиться позади хеликазы. Следом за хеликазой по одной из цепей (она называется лидирующая цепь) ползет ДНК-полимераза в направлении к 5'-концу. Она синтезирует новую цепочку нуклеотидов ДНК, комплементарную лидирующей цепи, присоединяя нуклеотиды ДНК к 3'-концу. По второй цепи ДНК (отстающая цепь) ДНК-полимераза ползет в противоположном направлении (тоже в направлении к 5'-концу). Но при этом получается, что отстающая цепь изготавливается "по кусочкам": ДНК-полимераза всякий раз ползет от хеликазы назад, к началу предыдущего кусочка, и отделяется от ДНК, оставив "дырку" (всего одну разомкнутую связь между соседними нуклеотидами) между концом только что изготовленного кусочка и началом предыдущего. Эту недостающую связь образует специальный белок ДНК-лигаза.

! Присоединение нового нуклеотида к молекуле РНК или ДНК (полимеразная реакция).

Рисунок 42

На рис. 42 показано, как это делается. Обратите внимание: в качестве "сырья" для изготовления нуклеиновых кислот используются не просто мономеры - нуклеотиды, а нуклеозидтрифосфаты. Эти молекулы похожи на нуклеотиды, но, в отличие от них, содержат не один, а целых три остатка фосфорной кислоты. В результате каждой реакции присоединения нового нуклеотида (всегда к 3'-концу!) "растущей" молекулы РНК или ДНК два фосфата отделяются.

? Попробуйте теперь заново прочитать "Сказку о передаче информации в клетке", и внести в нее все необходимые уточнения и исправления.