Ферменты катализируют отдельные реакции, протекающие в организме. Совокупность этих реакций представляет собой обмен веществ (метаболизм). В организме и отдельных его клетках постоянно происходит, с одной стороны, процесс распада отдельных компонентов клетки (липидов, углеводов, белков), а с другой стороны, синтез новых молекул этих соединений. Процессы превращения сложных биологических молекул в более простые называются диссимиляцией. Липиды и углеводы в организме распадаются в конечном итоге до углекислого газа и воды, белки — до углекислого газа, воды и аммиака или его производных. Процессы диссимиляции происходят с выделением энергии, поэтому их называют еще энергетическим обменом. Биосинтез новых органических соединений называется ассимиляцией, или пластическим обменом. В результате пластического обмена клетка обеспечивается строительным материалом. Процессы ассимиляции протекают с поглощением энергии, которая образуется при энергетическом обмене.
Процессы ассимиляции и диссимиляции происходят постоянно и взаимно дополняют друг друга. Энергия, образующаяся в процессах диссимиляции, используется для биосинтеза новых, специфичных для клетки соединений. Синтезированные в результате процессов ассимиляции вещества используются для построения новых клеток и отдельных органоидов и для замены старых молекул клетки. Процесс обмена веществ возможен только потому, что клетки живых существ потребляют извне материю и энергию.
Обычно процессы ассимиляции и диссимиляции происходят с примерно одинаковой скоростью. Однако в некоторых ситуациях преобладают процессы ассимиляции (например, усиленный рост организма в молодом возрасте, увеличение массы тела при обильном питании при недостаточной физической нагрузке) или процессы диссимиляции (уменьшение массы тела при голодании).
В отличие от неживой природы, где самопроизвольно протекают только процессы, связанные с уменьшением упорядоченности системы, в живом организме упорядоченность возрастает (при развитии) или поддерживается на более или менее постоянном уровне. Это возможно потому, что в организме за счет процессов диссимиляции постоянно образуется энергия. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть используется для обеспечения процессов жизнедеятельности: биосинтетических процессов, поддержания неравновесного распределения концентрации ионов снаружи и внутри клетки, сокращения мышц, обеспечения движения клеток и т. п.
Энергия, освобождаемая в процессах диссимиляции, может запасаться в виде энергии химической (макроэргической) связи в молекуле АТФ.
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) представляет собой мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. При гидролизе молекулы АТФ, который происходит под действием особых ферментов, называемых АТФазами, образуется молекула АДФ (аденозиндифосфорной кислоты), неорганический фосфат и освобождается большое количество энергии (до 40 кДж). Именно поэтому концевая связь между остатками фосфорной кислоты в молекуле АТФ называется макроэргической. Гидролиз АТФ до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота) и пирофосфата также сопровождается значительным выделением энергии, то есть связь между концевым и вторым остатком фосфорной кислоты в молекуле АТФ также является макроэргической. В основном в клетке используется энергия концевой фосфатной связи молекулы АТФ.
АТФ является универсальным аккумулятором энергии в живой природе. Процессы, происходящие с выделением энергии, сопровождаются синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В свою очередь, процессы, протекающие с потреблением энергии, сопровождаются гидролизом АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Именно поэтому большинство АТФаз способно обеспечивать какую-либо работу: например, гидролиз АТФ актомиозиновым комплексом приводит к сокращению мышечных волокон, (ионные насосы) обеспечивают перенос ионов через мембрану в направлении более высокой концентрации ионов.
Энергетический обмен
Энергетический обмен представляет собой совокупность механизмов, с помощью которых молекулы клеточного «топлива» разрушаются, а заключенная в них энергия превращается в энергию фосфатных связей АТФ. Энергетический обмен протекает в три основных этапа. Первый, или подготовительный, этап происходит в пищеварительном тракте животных и в цитоплазме клеток. В результате него происходит распад крупных молекул биополимеров до составляющих его мономеров: белки превращаются в аминокислоты, нуклеиновые кислоты — в мононуклеотиды, а затем в сахара, азотистые основания и фосфорную кислоту, углеводы — в простые сахара, а липиды — в глицерин и жирные кислоты. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.
На втором этапе энергетического обмена происходит бескислородное (анаэробное) многоступенчатое преобразование образующихся в результате первого этапа соединений в еще более простые вещества. Выделяющаяся при этом энергия частично запасается в виде терминальной фосфатной связи АТФ, то есть в процессе анаэробного расщепления из АДФ образуется АТФ. Характерным примером анаэробного превращения субстратов является гликолиз, в результате которого в отсутствие кислорода глюкоза превращается в молочную кислоту. Суммарно реакции гликолиза можно представить следующим уравнением:
С6Н12O6 + 2АДФ + 2Н3РO4 → 2С3Н6O3 + 2 АТФ + 2Н2O
В результате гликолиза одна молекула глюкозы, в состав которой входят 6 атомов углерода, сначала превращается в две молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты (С3Н4O3). В некоторых случаях, например, в мышечных клетках пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. При этом выделяется энергия (около 200 кДж), часть из которой (около 80 кДж) запасается в виде двух молекул АТФ. Для протекания гликолиза необходимо присутствие АДФ и фосфорной кислоты, но эти вещества постоянно присутствуют в цитоплазме клеток. Анаэробное расщепление глюкозы характерно для микроорганизмов, которые могут существовать в анаэробных условиях. Процесс гликолиза также интенсивно протекает в скелетных мышцах, которые способны длительно функционировать в отсутствие кислорода. В клетках растений и некоторых дрожжей гликолиз может идти по пути спиртового брожения: в этом случае образующаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота превращается в углекислый газ и уксусный альдегид, который затем восстанавливается до этилового спирта.
Поскольку живые организмы появились на Земле в то время, когда ее атмосфера еще не содержала кислорода, анаэробное брожение следует рассматривать как более простую форму биологического механизма, обеспечивающего получение энергии из питательных веществ. У большинства бактерий, дрожжей, грибов, а также в клетках всех высших растений и животных анаэробное расщепление глюкозы представляет собой обязательную стадию превращения «топлива», за которым следует аэробная фаза — дыхание.
Дыхание, или окисление, представляет собой заключительный, третий этап энергетического обмена. В процессе этого этапа происходит окисление пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза, до углекислого газа и воды. Этот этап происходит с участием многочисленных ферментов, находящихся у растений и животных в митохондриях, а у бактерий — на цитоплазматической мембране, и молекулярного кислорода.
Количество энергии, освобождаемое при полном окислении глюкозы до СO2 и Н2O, почти в 15 раз больше того, что выделяется при превращении глюкозы в молочную кислоту. Таким образом, в процессе гликолиза освобождается очень небольшое количество энергии, которое потенциально может быть извлечено из глюкозы. Это объясняется тем, что продукт гликолиза — молочная кислота — соединение почти столь же сложное, как и глюкоза, и его углеродные атомы имеют почти ту же степень окисления, что и в глюкозе (соотношение между количеством атомов углерода и водорода в молочной кислоте то же, что и в глюкозе). Продукт заключительной стадии энергетического обмена, С02, значительно более простое соединение, у которого атом углерода полностью окислен. Именно в процессе окисления и выделяется значительное количество энергии, большая часть которой (около 40%) запасается в виде АТФ.
Общая схема процессов дыхания. Образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота проникает в митохондрии, где она подвергается окислительному декарбоксилированию, превращаясь в уксусную кислоту (ацетат), вернее, в ее активную форму:
C3H4O3 → CO2 + CH3COOH
Активные формы ацетата могут образовываться в организме также при расщеплении аминокислот и жирных кислот. Эти формы ацетата вступают в заключительную стадию окислительного катаболизма, где подвергаются каталитическому расщеплению с освобождением СO2 и атомов водорода:
СН3СООН + 2Н2O 2СO2 + 8Н
Циклическая совокупность реакций, в результате которых происходит превращение активной формы ацетата в углекислый газ и атомы водорода, называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса. Основная часть образовавшихся в результате расщепления ацетата атомов водорода переносится на окислитель НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), соединение, которое относится к пиридиновым нуклеотидам и используется в процессах метаболизма как переносчик атомов водорода.
Энергия, освобождающаяся в процессе дыхания, может запасаться в виде АТФ благодаря последовательному протеканию окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительными называются реакции, в процессе которых происходит перенос электронов от доноров электронов (восстановителя) к акцептору электронов (окислителю). В некоторых окислительно-восстановительных реакциях перенос электронов осуществляется путем передачи атомов водорода; таким образом, дегидрирование и окисление являются эквивалентными процессами. Часто для обозначения электронов или атомов водорода, принимающих участие в окислительно-восстановительном процессе, используют термин восстановительные эквиваленты.
Окислители и восстановители функционируют как сопряженные окислительно-восстановительные пары. В реакциях метаболизма такие окислительно-восстановительные пары представлены, в частности, пиримидиновыми нуклеотидами, НАД и НАДФ (последнее соединение является фосфорилированной формой НАД). Эти соединения входят в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. В окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в живых системах, окисленная форма этих соединений (обозначается как НАД+ и НАДФ+) переходит в восстановленную форму (обозначается как НАДН и НАДФН). При этом от молекулы субстрата, участвующей в окислительном-восстановительном процессе, уходят два восстановительных эквивалента. Они представлены гидрид ионом (Н—, два электрона и протон), который связывается с молекулой НАД+. Освобождающийся после связывания гидрид иона протон (Н+) переходит в окружающую среду:
НАД+ + 2Н → НАДН + Н+
Восстановленная молекула НАД (НАДН) вступает во взаимодействие с начальным компонентом дыхательной цепи. Дыхательная цепь состоит из последовательно расположенных в мембране митохондрий белков, являющихся переносчиками восстановительных эквивалентов (водорода или электронов). Значительная часть переносчиков представлена цитохромами — железосодержащими белками. В ходе переноса электронов по дыхательной цепи валентность железа в цитохромах обратимо изменяется: Ре(II) —> Ре(III). Электроны последовательно передаются от одного переносчика к другому, и в конечном итоге — к молекулярному кислороду. Последний цитохром в цепи реагирует с молекулярным кислородом. Процесс переноса электронов по дыхательной цепи, который представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, сопровождается выделением значительного количества энергии. Часть этой энергии запасается в виде АТФ, которая образуется в результате сопряженного с окислением фосфорилирования АДФ.
В клетках эукариот процесс дыхания, сопряженного с трансформацией энергии, происходит во внутренней мембране митохондрий. Внутренняя мембрана митохондрий образует многочисленные глубокие складки, называемые кристами. У бактерий, способных дышать, этот процесс осуществляется на цитоплазматической мембране. Превращение энергии, освобождающейся при перемещении электронов по дыхательной цепи, возможно только в том случае, если внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов. Это обусловлено тем, что энергия запасается в виде разницы концентраций (градиента) протонов.
Процесс передачи восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи осуществляется таким образом, что на некоторых стадиях происходит перемещение от одного компонента дыхательной цепи к другому не только электрона, но и протона (то есть переносится атом водорода). Компоненты дыхательной цепи расположены в мембране митохондрий так, что этот протон связывается с переносчиком на внутренней стороне мембраны митохондрий. Атомы водорода (суммарно электрон и протон) пересекают мембрану, протон освобождается с наружной стороны мембраны, а электроны продолжают свой путь по дыхательной цепи. На заключительном этапе с электронами, прошедшими свой путь по дыхательной цепи, взаимодействует молекулярный кислород и протоны, которые постоянно присутствуют в воде. В результате этой реакции образуются молекулы воды:
O2 + 4е— + 4Н+ → 2Н2O
Перемещение протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий, которое осуществляется благодаря функционированию дыхательной цепи, приводит к тому, что матрикс митохондрий защелачивается, а межмембранное пространство закисляется. Таким образом, в процессе функционирования дыхательной цепи внутренняя сторона митохондриальной мембраны заряжается отрицательно, а наружная — положительно. Образовавшаяся разница в концентрации протонов по разные стороны митохондриальной мембраны может быть использована для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Синтез осуществляется специальным ферментом, встроенным в мембрану митохондрий и называемым АТФ-синтазой.
Молекула АТФ-синтазы расположена в митохондриальной мембране таким образом, что формирует канал, пересекающий мембрану, по которому могут перемещаться протоны. Внутрь матрикса выступает значительная часть молекулы АТФ-синтазы, которая непосредственно обеспечивает образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Когда канал открывается, то протоны свободно перемещаются по нему с внешней стороны мембраны на внутреннюю, то есть из межмембранного пространства, где концентрация протонов высока, в матрикс, где она ниже. Однако канал открывается в том случае, когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня (более 100 мВ). При прохождении протонов через канал освобождается энергия, за счет которой обеспечивается присоединение неорганического фосфата к АДФ с образованием макроэргической связи.
Баланс энергии. При полном окислении одной молекулы глюкозы в результате гликолиза и последующего аэробного окисления синтезируется тридцать восемь молекул АТФ. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения:
С6Н12O6 + 6O2 + 38АДФ + 38Н3РO4 -> 6СO2 + 38АТФ + 44Н2O
Таким образом, в результате превращения глюкозы в углекислый газ и воду, описываемого уравнением:
C6H12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O
осуществляется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата в соответствии с уравнением:
38АДФ + 38Н3РO4 -> 38АТФ + 38Н2O
Учитывая, что терминальная фосфатная связь в молекуле АТФ сохраняет около 40 кДж энергии, можно заключить, что полное окисление глюкозы в организме позволяет запасти 1520 кДж энергии.
Пластический обмен
Пластический обмен представляет собой совокупность реакций биосинтеза, в результате которого из поступающих в клетку веществ образуются характерные для данной клетки вещества. К пластическому обмену относятся фотосинтез, синтез белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.
Фотосинтез. По тому, какой тип питания используют живые организмы, их можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.
Гетеротрофы — это организмы, которые не способны к синтезу органических веществ из неорганических. По этой причине они используют в качестве пищи готовые органические соединения. К гетеротрофам относятся животные, а также значительная часть грибов и бактерий.
Автотрофы — это организмы, осуществляющие синтез органических соединений из неорганических. К автотрофам относятся все растения и некоторые бактерии. В свою очередь, автотрофы можно разделить на хемо- и фотосинтезирующие. К хемосинтезирующим относятся бактерии, которые способны использовать энергию, выделяющуюся при окислении некоторых химических веществ, например сероводорода, аммиака, нитритов. Фотосинтезирующие организмы, к которым относятся как эукариоты (высшие зеленые растения, зеленые, бурые и красные водоросли, эвгленовые и диатомовые водоросли), так и прокариоты (сине-зеленые водоросли, зеленые и пурпурные бактерии) используют для синтеза органических соединений энергию солнечного света.
Синтез органических соединений с использованием энергии солнечного света называется фотосинтезом.
Суммарное уравнение фотосинтеза для всех фотосинтезирующих организмов, за исключением бактерий, может быть представлено в следующем виде:
12Н2O + 6СO2 → С6Н12O6 + 6Н2O + 6O2
Фотосинтез протекает в специализированных органоидах зеленых растений, называемых хлоропластами. У фотосинтезирующих бактерий этот процесс осуществляется на наружной мембране бактерии или в хроматофорах, мелких сферических мембранных пузырьках, расположенных в цитозоле бактериальной клетки. В структурном отношении хлоропласты близки к митохондриям: они имеют двойную мембрану, причем внутренняя мембрана свернута в множество уплощенных пузырьков, называемых тилакоидами. Внутри тилакоидов находятся пигменты, улавливающие свет. Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы: световую и темновую.
Световая фаза. Фотосинтез начинается с момента освещения хлоропласта видимым светом и включает реакции, непосредственно связанные с использованием света. Все фотосинтезирующие клетки содержат один или несколько классов зеленых пигментов, содержащих магний и называемых хлорофиллами. Молекулы хлорофилла способны улавливать свет в красной области спектра. Поглощение кванта света молекулой хлорофилла приводит к ее «возбуждению», то есть к переходу одного из электронов на более высокий энергетический уровень. Возбужденный электрон переносится на следующий компонент цепи переноса электронов, аналогичной дыхательной цепи. Значительная часть компонентов этой цепи представлена цитохромами (железосодержащие белки) и медьсодержащими белками. Сам процесс переноса электронов представляет собой последовательно происходящие окислительно-восстановительные реакции.
После того как электрон уходит с молекулы хлорофилла на следующий компонент цепи переноса электронов (хлорофилл при этом окисляется), происходит его восстановление за счет электронов, входящих в состав молекулы воды. При этом с участием специальных ферментов молекула воды распадается на электрон, переносимый к молекуле окисленного хлорофилла, протон и атомарный кислород. Этот процесс происходит с внутренней стороны мембраны тилакоида. Два атома кислорода объединяются в молекулу O2, которая путем диффузии покидает хлоропласт. Таким образом, кислород, являющийся продуктом фотосинтеза, образуется из воды.
Так же как и в дыхательной цепи, на некоторых этапах цепи переноса в хлоропластах осуществляется перенос электронов через мембрану совместно с протонами (то есть в виде атомов водорода), а затем пути протонов и электронов разделяются: протоны переносятся с одной стороны мембраны на другую, а электроны продолжают дальнейший путь по цепи переноса. Итоговым результатом такого процесса является создание градиента протонов: при этом внутреннее пространство тилакоида закисляется и обращенная внутрь часть мембраны становится положительно заряженной, а часть мембраны, обращенная в межмембранное пространство, становится заряженной отрицательно (межмембранное пространство защелачивается). Энергия, запасенная в виде градиента концентраций протонов, используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.
В конечном итоге электроны, переносимые по фотосинтетической цепи переноса электронов, включаются в окисленную форму никотинамидадениндинуклеотидфосфата, НАДФ+, восстанавливая последний до НАДФН. Мы уже упоминали, что пары НАД+/НАДН и НАДФ+/НАДФН представляют собой унифицированные окислительно-восстановительные пары соединений, используемые в различных биохимических реакциях в качестве окислителей или восстановителей.
Таким образом, в результате световой стадии фотосинтеза электроны, переносимые с возбужденной молекулы хлорофилла по цепи переноса электронов, обеспечивают, с одной стороны, создание градиента протонов, энергия которого запасается в виде терминальной фосфатной связи АТФ, а с другой стороны, обеспечивают образование восстановителя НАФН, который затем используется в темновой фазе фотосинтеза для образования углеводов из углекислого газа и воды.
Темновая фаза фотосинтеза. Энергия в виде АТФ и восстановительные эвиваленты в виде НАФН, образующиеся в фотосинтезирующих организмах на свету, используются в дальнейшем для синтеза углеводов, то есть для восстановления СO2 до глюкозы и других Сахаров. Эти реакции могут протекать как на свету, так и в темноте, поэтому называются темновой фазой фотосинтеза. Суммарное уравнение, описывающее темновой процесс образования глюкозы из СO2, имеет следующий вид:
6СO2 + 12НАДФН + 18АТФ + 12Н2O -> С6Н12O6 + 12НАДФ+ + 18 АДФ + 18Н3РO4
Процесс синтеза глюкозы осуществляется в результате большого числа последовательных ферментативных реакций. В дальнейшем из глюкозы могут образовываться более сложные ди- и полисахариды, а также аминокислоты, жирные кислоты и другие органические соединения.
Значение фотосинтеза. Процесс фотосинтеза является основным процессом, в результате которого из неорганических соединений (двуокиси углерода и воды) осуществляется синтез органических соединений. Таким образом, фотосинтезирующие организмы (автотрофы) способны за счет энергии Солнца синтезировать органические вещества, необходимые для их роста и развития. Более того, сами фотосинтезирующие организмы или продукты их жизнедеятельности служат пищей для всех остальных членов биосферы (гетеротрофов). Таким образом, жизнь на Земле должна была бы прекратиться, не будь постоянного поступления энергии в виде солнечного излучения и фотосинтеза, который эту энергию использует.
Для того, чтобы расходовать запасенную энергию, организмы осуществляют деградацию питательных веществ, главным образом окислительную. Для протекания окислительных процессов используется кислород, при этом органические соединения превращаются в двуокись кислорода. Фотосинтез способствует сохранению равновесия в биосфере, восстанавливая СO2 до органических соединений и выделяя в атмосферу молекулярный кислород. Только в результате появления организмов, способных производить кислород, могла возникнуть среда, пригодная для развития всех тех форм жизни, которые используют кислород.
Хемосинтез. Все автотрофные организмы делятся на две группы. Одна из них, называемая фототрофами, использует в качестве энергии свет. К ним относятся все фотосинтезирующие организмы. Кроме того, есть организмы, использующие в качестве источника энергии для синтеза органических соединений энергию окислительно-восстановительных реакций. Эти организмы называются хемотрофными, а процесс синтеза органических соединений за счет энергии химических реакций — хемосинтезом. К хемотрофам относятся некоторые бактерии, использующие энергию, образующуюся при окислении аммиака до азотной кислоты, азотистой кислоты до азотной (нитрифицирующие бактерии), а также сероводорода до серной кислоты (серобактерии) и двухвалентного железа до трехвалентного (железобактерии).
Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Одна из важнейших задач, стоящих перед быстро растущим человечеством, — это повышение продуктивности растений, используемых в качестве пищевых продуктов. Эта задача в первую очередь связана с повышением продуктивности фотосинтеза. Для эффективного протекания фотосинтеза необходимо соблюдение определенных условий, а именно:
— обеспечение оптимальной интенсивности и длительности освещения растений, что в значительной степени определяется густотой посевов и расположением рядов растений по отношению к положению Солнца на небосводе. При выращивании растений в теплицах длительность светового дня можно увеличивать за счет освещения растений в темное время суток специальными (фито) лампами, которые дают свет с достаточной интенсивностью в красной области спектра;
— соблюдение оптимального температурного режима (для теплиц оптимальная температура составляет 20-25°);
— обеспечение оптимального режима полива;
— достаточное содержание минеральных компонентов в почве (внесение в почву удобрений);
— обеспечение нормального содержания в воздухе теплиц двуокиси углерода, поскольку снижение его концентрации тормозит фотосинтез, а увеличение — ингибирует дыхание растений;
— своевременная и эффективная борьба с заболеваниями растений.
Однако наиболее перспективными в настоящее время являются принципиально новые подходы, которые заключаются в создании с использованием методов генной инженерии новых разновидностей растений, характеризующихся высокой продуктивностью и устойчивостью как к заболеваниям, так и к различным неблагоприятным условиям.
Биосинтез белков
Белки являются важнейшими компонентами живого не столько потому, что составляют большую по массе часть клетки, но потому, что обеспечивают ее функциональную активность и уникальность. Практически все химические процессы, протекающие в клетке, осуществляются белками-ферментами. Каждая клетка имеет набор специфических белков, характерных именно для данной клетки. Он отличается как от набора, характерного для клеток другого организма, так и от набора, свойственного клеткам другой ткани данного организма, поскольку в каждой клетке осуществляется синтез специфичных для нее белков. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, хранится в ядре, она записана в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Часть молекулы ДНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет последовательность аминокислот в определенном белке, называется геном. В молекуле ДНК в зависимости от эволюционного пути, который прошел данный организм, может содержаться от сотен до десятков тысяч генов.
Код ДНК. Каким же образом последовательность нуклеотидов может определять последовательность аминокислот? Известно, что ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается четырьмя буквами (А, Г, Т, Ц). Из математических расчетов вытекает, что для кодирования одной аминокислоты требуется более одного нуклеотида, поскольку в белках обнаруживается 20 различных аминокислот. Поскольку из 4 нуклеотидов можно сделать лишь 16 различных сочетаний по два нуклеотида (42=16), что менее 20, то «слово», кодирующее определенную аминокислоту, должно состоять более чем из двух букв. Если записывать кодирующее «слово» сочетанием трех букв (нуклеотидов), то число различных вариантов будет составлять 43= 64. Таким образом, комбинации из трех нуклеотидов (триплетный код) будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот (64 > 20).
Сочетания из трех нуклеотидов, кодирующие определенные аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом. В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, то есть известно, какие конкретно триплетные сочетания нуклеотидов кодируют входящие в состав белка 20 аминокислот. Пользуясь комбинацией, состоящей из трех нуклеотидов, можно сделать значительно большее количество кодирующих «слов», чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом, то есть генетический код вырожден. Так, например, аминокислота фенилаланин может кодироваться как последовательностью УУУ, так и последовательностью УУЦ. Только две аминокислоты (триптофан и метионин) кодируются одним триплетом. Нужно отметить, что термин «вырожденный» не означает «неточный», так как один триплет не может кодировать две аминокислоты.
Существенная особенность генетического кода заключается в том, что в нем отсутствуют сигналы, отделяющие одно кодирующее «слово» (его называют кодоном) от другого. Именно поэтому считывание информации должно начинаться с правильного места молекулы ДНК (РНК) и продолжаться последовательно от одного кодона к другому. В противном случае последовательность нуклеотидов окажется измененной во всех кодонах. Это подтверждается обнаружением мутаций, при которых из последовательности либо выпадает (делеция), либо встраивается в нее (вставка) один или два нуклеотида. При этих мутациях в результате сдвига считывания синтезируется дефектный белок. В том случае, если выпадает или встраивается три нуклеотида, синтезируется белок, который отличается от нормального тем, что в нем отсутствует одна аминокислота (в случае делеции трех нуклеотидов) или появляется дополнительная аминокислота (в случае вставки трех нуклеотидов).
Еще одна особенность генетического кода заключается в том, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а своеобразные «знаки препинания». Они являются стоп-сигналами, которые сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи.
Генетический код универсален, то есть триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, одинаковы у всех живых существ: один и тот же кодон кодирует определенную аминокислоту как у человека, так и у вируса или растения. Таким образом, генетический язык одинаков для всех видов. Универсальность генетического кода свидетельствует о том, что он возник в процессе генетической эволюции почти в том виде, в котором существует и сегодня. Вырожденность кода затрагивает только третье основание кодона: так, например, серин кодируется триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ. Таким образом, кодирование определенной аминокислоты определяется главным образом двумя первыми буквами. Можно думать, что генетический код был сначала дуплетным и содержал информацию о 16 (или менее) аминокислотах.
Транскрипция. Синтез белка осуществляется на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. В то же время информация о последовательности аминокислот в белке хранится в ДНК. Оказалось, что во время или перед началом синтеза определенного белка в ядре образуется так называемая матричная, или информационная РНК, являющаяся посредником, переносящим информацию с ДНК к рибосомам. Молекула информационной РНК (иРНК) синтезируется с использованием в качестве матрицы определенного участка ДНК (гена). Затем молекула иРНК покидает ядро и перемещается в цитоплазму. Связываясь с рибосомами, она, в свою очередь, служит матрицей, на которой происходит синтез белка.
Синтез иРНК осуществляется в ядре с помощью фермента, называемого ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Вновь синтезированная иРНК имеет нуклеотидный состав, коплементарный нуклеотидному составу использованной ДНК с той лишь разницей, что остаткам аденина в ДНК-матрице соответствуют остатки урацила в синтезированной мРНК. Таким образом, информация, имеющаяся в гене, в процессе синтеза мРНК переписывается на мРНК. Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием).
Процесс транскрипции, вместе с реакцией самоудвоения ДНК, которая называется репликацией, относят к реакциям матричного синтеза. Реакции матричного синтеза представляют собой реакции, которые идут с использованием матрицы. Матрица (от латинского матрикс — матка) представляет собой готовую структуру, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры. При синтезе ДНК (репликации) и синтезе иРНК в качестве матрицы используется одна из цепей ДНК, на которой происходит образование комплементарной ей цепи. Таким образом, в результате реакций матричного синтеза образуются структуры, построенные по строго определенному плану. Реакции матричного синтеза характерны лишь для живой природы, в результате их осуществления становится возможным передача информации от одного поколения живых существ к другому (репликация), а также синтез молекул белков, в соответствии с информацией, заложенной в генетическом материале. Для синтеза белковых молекул необходимо осуществление двух типов реакций матричного синтеза: транскрипции, которая необходима для переноса генетической информации из ядра в. цитоплазму, и трансляции.
Трансляция. Термином трансляция (перевод) в биологии обозначают реакции, в результате которых в рибосомах с использованием в качестве матрицы информационной РНК осуществляется синтез полипептидной цепи. Полипептидная цепь удлиняется в процессе синтеза путем последовательного присоединения отдельных аминокислотных остатков, начиная с N-концевого остатка. Для того чтобы понять, каким образом осуществляется образование пептидной связи между соответствующими аминокислотами, необходимо рассмотреть структуру рибосом и транспортных РНК (тРНК), участвующих в процессе трансляции.
Рибосомы эукариот имеют диаметр около 220 А и молекулярную массу около 4 млн. дальтон. Рибосомы прокариот более мелкие. Каждая рибосома состоит из двух неравных субъединиц, причем субъединицы могут отделяться друг от друга. В состав каждой субъединицы входит рибосомная РНК и белок. Некоторые рибосомные белки выполняют каталитические функции, то есть являются ферментами.
Транспортная РНК. Молекулы транспортных РНК невелики, их молекулярная масса составляет 23 000 — 30 000 дальтон. Функция тРНК заключается в том, чтобы в ходе процесса синтеза полипептидной цепи переносить на рибосомы определенные аминокислоты, при этом каждая аминокислота переносится соответствующими транспортными тРНК. Все молекулы тРНК способны образовывать характерную конформацию — конформацию клеверного листа. Такая конформация молекулы тРНК возникает потому, что в ее структуре имеется значительное количество нуклеотидов (по 4-7 в одном участке), комплементарных друг другу. Внутримолекулярное спаривание таких нуклеотидов за счет образования водородных связей между комплементарными основаниями и приводит к образованию такой структуры. У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону иРНК. Этот триплет различен для тРНК, переносящих различные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной тРНК. Он называется антикодоном.
У основания клеверного листа находится участок, в котором связывается аминокислота. Связывание аминокислоты с тРНК осуществляется за счет образования связи между карбоксильной группой аминокислоты и ОН-группой остатка адениловой кислоты, располагающейся в концевой части молекул всех тРНК. Таким образом, молекула тРНК не только переносит определенную аминокислоту, она имеет в своей структуре запись о том, что она переносит именно эту аминокислоту, причем эта запись сделана на языке генетического кода.
Синтез белка. Рибосомы способны связывать иРНК, несущую информацию об аминокислотной последовательности синтезируемого белка, транспортные РНК, несущие аминокислоты, и, наконец, синтезируемую полипептидную цепь. Меньшая субъединица рибосомы связывает иРНК и тРНК, несущую первую (N-концевую) аминокислоту полипептидной цепи, после чего происходит связывание большой субъединицы с образованием функционирующей (работающей) рибосомы.
По мере сборки полипептидной цепи рибосома передвигается вдоль нитевидной молекулы тРНК. Одновременно на одной молекуле иРНК может находиться несколько рибосом, каждая из которых осуществляет синтез полипептидной цепи, закодированной этой тРНК. Чем дальше по цепи иРНК продвинулась рибосома, тем больший по длине фрагмент молекулы белка будет синтезирован. Когда рибосома достигает конца молекулы иРНК, синтез белка заканчивается, и рибосома с вновь синтезированным белком покидает молекулу иРНК. Сигнал об окончании синтеза полипептидной цепи подается тремя специальными кодонами, один из которых присутствует в терминальной части молекулы иРНК. Считывание информации с молекулы тРНК возможно только в одном направлении.
Еще в процессе синтеза вновь образованный конец полипептидной цепи может связываться со специальными белками шаперонами, обеспечивающими ее правильную укладку, а затем направляется к аппарату Гольджи, откуда белок транспортируется в то место, где он будет работать. Рибосома, которая освободилась от иРНК и синтезированной полипептидной цепи, диссоциирует на субъединицы, после чего большая субъединица, связавшись с любой иРНК, может связать меньшую субъединицу и образовать активную рибосому, способную начать синтез нового (или того же самого) белка.
Активный центр рибосомы, в котором осуществляется образование пептидной связи между двумя соседними аминокислотами, устроен таким образом, что в нем одновременно могут находиться два соседних кодона (триплета) иРНК. На первом этапе происходит связывание тРНК с информационной РНК за счет взаимодействия кодон-антикодон. Поскольку антикодон, расположенный на тРНК, и кодон, находящийся на иРНК, комплементарны, между входящими в их состав азотистыми основаниями образуются водородные связи. На втором этапе аналогичным образом осуществляется связывание с соседним кодоном второй молекулы тРНК. При этом молекулы тРНК ориентируются в активном центре рибосомы таким образом, что С=0 группа первого аминокислотного остатка, связанного с первой тРНК, оказывается поблизости от свободной аминогруппы аминокислотного остатка, входящего в состав второй транспортной тРНК. Таким образом, за счет взаимодействия кодон-антикодон между последовательно расположенными кодонами иРНК и соответствующими антикодонами тРНК рядом оказываются именно те аминокислоты, которые последовательно закодированы в иРНК.
На следующем этапе в результате взаимодействия свободной аминогруппы, входящей в состав аминокислотного остатка вновь пришедшей тРНК, с этерифицированной карбоксильной группой С-концевого аминокислотного остатка первой аминокислоты образуется пептидная связь. Реакция осуществляется путем замещения, причем уходящей группой является молекула первой тРНК. В результате такого замещения удлинившаяся тРНК, несущая уже дипептид, оказывается связанной с рибосомой. Для катализа этой реакции требуется фермент, называемый пептидилтрансферазой, который входит в состав большей субъединицы рибосомы.
На последнем этапе связанный с тРНК пептид передвигается с участка, в котором связывается аминокислота, в участок, в котором связывается образующийся пептид. Этот процесс перемещения является результатом изменения конформации рибосомы. Одновременно с перемещением синтезирующейся пептидной цепи происходит перемещение рибосомы вдоль иРНК, при этом в активном центре рибосомы оказывается следующий кодон иРНК, после чего описанные выше события повторяются.
Синтез белка осуществляется с очень большой скоростью: пептид, состоящий из 100 аминокислот, синтезируется примерно за 1 минуту.
Мы уже упоминали, что все процессы синтеза, в результате которых из более простых молекул образуются более сложные, осуществляются с затратой энергии. Биосинтез белка представляет собой цепь реакций, протекающих с затратой энергии. Так, для связывания одной аминокислоты с тРНК требуется энергия двух макроэргических фосфатных связей. Кроме того, при образовании одной пептидной связи используется энергия еще одной макроэргической фосфатной связи. Таким образом, для образования одной пептидной связи в молекуле белка требуется такое количество энергии, которое запасено в трех макроэргических связях молекулы АТФ.