Цитология - Наталья Стволинская

Рис. 3.5. Модель репликации двойной спирали ДНК, предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Полуконсервативный способ репликации (по Ченцову, 2004).

Изучение процесса репликации показало, насколько он сложен. В этом процессе работает ферментативный комплекс, объединяющий не менее 10 разнообразных ферментов. Начало репликации связано с образованием сложной пространственной структуры – «вилки» репликации, где спаренные цепи в молекуле ДНК расходятся при разрушении водородных связей между азотистыми основаниями. Главную работу по полимеризации нуклеотидов в цепи ДНК катализирует фермент ДНК-полимераза. Синтез двух новых цепей ДНК происходит не синхронно. На одной цепи этот процесс идет быстрее, а на другой медленнее. Соответственно, синтезируемые цепи ДНК так и называются – ведущая и отстающая.

Итогом репликации является точное удвоение материнской молекулы ДНК.

Вопросы

1. Перечислите типы молекул РНК, назовите их функции.

2. Что такое транскрипция?

3. Какие типы РНК образуются в результате транскрипции?

4. Что такое ген?

5. Что такое генетический код? Каковы его свойства?

6. Как связаны понятия «ген» и «генетический код»?

7. Что такое репликация? В чем значение этого процесса?

8. Назовите основные принципы репликации.

9. В чем состоит принцип полуконсервативности процесса репликации?

Биосинтез белка

Началом процесса синтеза белка считается копирование одной из нитей ДНК на небольшом участке, называемом геном, с образованием мРНК. Процесс копирования участка ДНК, как известно, называется транскрипцией. У прокариот он происходит в цитоплазме, у эукариот – в ядре интерфазной клетки. Транскрипция – это начальный этап передачи информации от ДНК для синтеза белка. Когда идет процесс транскрипции, то говорят, что ген работает. Работающие гены – это гены, на которых происходит транскрипция.

После транскрипции молекулы РНК выходят из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы – органоиды клетки, функцией которых является биосинтез белка. Рибосомы всех типов живых клеток имеют сходное строение. Это немембранный органоид почти сферической формы, диаметром около 20 нм, состоящий из большой и малой субъединиц. В рибосомах есть участок, где присоединяется длинная молекула мРНК. Каждая молекула мРНК соответствует одному гену, т. е. копирует небольшой участок молекулы ДНК, который отвечает за синтез одной молекулы белка. В составе рибосомы одновременно может находиться только маленький участок мРНК, он соответствует шести нуклеотидам.

Молекулы мРНК длинные, в их составе может быть несколько сотен нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов кодирует последовательность аминокислот в белке. Кодирование происходит одинаково у всех живых организмов. Каждые три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Это свойство генетического кода – триплетность. Молекула мРНК, постепенно считываясь, пропускается через рибосому, каждый раз продвигаясь на 3 нуклеотида, и вся информация, которая в ней закодирована, реализуется.

Расшифровка генетической информации в рибосоме происходит с помощью молекул тРНК. По сравнению с мРНК, это небольшие молекулы. Они тоже образуются в ядре на ДНК, как на матрице, на специальных участках. Из ядра молекулы тРНК выходят в цитоплазму, направляясь к рибосомам.

Рис. 3.6. Строение молекулы тРНК. Один ее конец (акцепторный) предназначен для присоединения аминокислоты. Второй важный участок – антикодон, состоящий из трех нуклеотидов (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).

Известен 61 вид молекул тРНК. Они отличаются друг от друга тройкой азотистых оснований на самой вершине молекулы. Это очень важный участок тРНК. С помощью него тРНК находит свое место в рибосоме. Этот участок называется антикодон. Любая тРНК только тогда займет свое место в рибосоме, когда ее антикодон будет комплементарен генетическому коду мРНК. В тРНК известен еще один важный участок (акцепторный конец) – это один из ее концов, сюда присоединяется аминокислота. Присоединение аминокислоты специфично и соответствует антикодону (рис. 3.6).

Транспортные РНК приносят аминокислоты к рибосоме и занимают свое место на специальных участках рибосомы, взаимодействуя с мРНК. В рибосоме одновременно находятся два триплета иРНК, следовательно, к рибосоме сразу могут присоединяться две молекулы тРНК. Расположены они близко друг к другу, почти соприкасаются (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема нагруженной рибосомы, удерживающей мРНК и две молекулы тРНК с грузом. Левая тРНК удерживает синтезируемый пептид из трех аминокислот (аа). Правая тРНК доставила следующую аминокислоту. Стрелка показывает направление смещения мРНК относительно рибосомы (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).

Главная функция тРНК – доставить аминокислоты в рибосому. Из аминокислот в рибосоме синтезируется белок.

Взаимосвязь тРНК с аминокислотами происходит в цитоплазме вне рибосомы. Аминокислота присоединяется к концевому участку тРНК. Один вид тРНК может связать аминокислоту только определенного вида. Например, антикодон тРНК – ГЦУ, это соответствует кодону ЦГА в мРНК, а, следовательно, аминокислоте – аргинину (арг). Транспортная РНК с аргинином займет свое место в рибосоме, когда в соответствующем участке мРНК в рибосоме будет триплет азотистых оснований – ЦГА.

Итак, допустим, две тРНК с соответствующими аминокислотами занимают свое место в рибосоме. Аминокислоты, принесенные ими, находятся близко друг к другу, и рибосома соединяет их химической связью. Образуется маленькая белковая молекула, состоящая всего из двух аминокислот. Затем первая тРНК освобождается и уходит в цитоплазму, где она опять может присоединить к себе соответствующую аминокислоту. Вторая тРНК удерживает в это время синтезируемую молекулу белка. В этот момент мРНК вместе со второй тРНК и синтезируемой молекулой белка передвигается на три нуклеотида влево, согласно стрелке на схеме (рис. 3.7). Вторая тРНК занимает в рибосоме место первой. Место второй тРНК оказывается свободным, но здесь уже следующий триплет азотистых оснований в молекуле мРНК. Чтобы третья тРНК с соответствующей аминокислотой заняла свое место в рибосоме, у нее должен быть комплементарный антикодон.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не считается вся информация с мРНК. Весь процесс происходит в рибосоме и называется трансляцией. Язык кодирования в последовательности азотистых оснований переводится на другой язык – последовательности аминокислот.

Цикл присоединения одной аминокислоты длится доли секунды. Белок из 400 аминокислот синтезируется очень быстро, примерно за 20 секунд. Однако процесс биосинтеза белка требует больших затрат энергии. Для образования одной пептидной связи необходимо 4 молекулы энергоносителя.

Мы рассмотрели основные принципы биосинтеза белка в клетке, но на самом деле этот процесс очень сложен. Существует много форм регуляции как самого процесса биосинтеза, так и его начальной и конечной фаз.

Вопросы

1. Какой процесс в ядре предшествует биосинтезу белка?

2. Какова роль рибосом в биосинтезе белка?

3. В чем значение мРНК в биосинтезе белка?

4. Какова функция тРНК в биосинтезе белка?

5. Сколько тРНК может одновременно находиться в рибосоме?

6. Что такое пептидная связь?

7. Насколько быстро синтезируется белок в клетке?

Глава 4. Ядро эукариотической клетки

Строение и функции ядра

Ядро – это наиболее крупная структура эукариотической клетки; обычно расположено в центральной части животной клетки или сдвинуто к периферии центральной вакуолью в растительной клетке. Впервые ядро было выявлено Р. Броуном в 1833 г. в клетках орхидей под световым микроскопом. Длительное время функция ядра оставалась невыясненной, и только в конце XIX в., когда было описано, как ведет себя ядро в процессах деления клетки, стала проясняться основная функция ядра. Постепенно появились свидетельства того, что в ядре сконцентрирована генетическая, наследственная информация клетки, которую переносят хромосомы в процессе деления. Экспериментальные доказательства о формообразующей роли ядра были получены только ближе к середине XX в.

Не все эукариотические клетки имеют ядро. Известно несколько видов клеток как растений, так и животных с конечным этапом дифференцировки, которые утрачивают ядро по мере приобретения узкой специализации. Такие клетки не могут делиться. Примером безъядерных клеток могут служить клетки хрусталика глаза и эритроциты млекопитающих. И те, и другие являются носителями преимущественно одного типа белка. В эритроцитах накапливается гемоглобин, обеспечивающий газообмен, а в клетках хрусталика – кристаллин, благодаря чему сохраняется его прозрачность. У цветковых растений безъядерными клетками являются проводящие элементы флоэмы – ситовидные трубки. Они состоят из тяжей удлиненных клеток, соединенных друг с другом. Каждая клетка имеет перфорации на концах в клеточной оболочке. Через перфорации проходят тяжи цитоплазмы из одной клетки в другую, за счет чего образуется единая система проведения веществ. Ядро утрачивается в процессе созревания ситовидных трубок.