Том 1 (Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)), страница 6

1.8. Жизнь как автокаталитический процесс. Полинуклеотиды (полимеры нуклеотидов) и белки(полимеры аминокислот) не только обеспечивают клетку информацией о последовательностях и каталитическими функциями, которые — через сложный набор химических реакций — обусловливаютсинтез еще большего количества таких же полинуклеотидов и белков.1.1.5.  Все клетки транслируют РНК в белок одинаковым способомТрансляция генетической информации из четырехбуквенного алфавита полинуклеотидов в двадцатибуквенный алфавит белков — сложный процесс. В одних отношениях правила такой трансляции кажутся четкими и рациональными,но в других — до странности произвольными, при том что они (с незначительнымиисключениями) идентичны у всех живых существ.

Эти произвольные черты, какдумают, отражают аварийные ситуации в механизмах наследования, которые возникали на ранних этапах развития жизни и были закреплены в ходе эволюции, т. е.случайно приобретенные свойства самых ранних организмов, которые, передаваясьпо наследству, столь глубоко внедрились в устройство всех клеток, что уже не могутбыть изменены без нарушения всей организации клетки.Информация, закодированная в последовательности молекулы информационной РНК (мРНК), считывается кластерами: по три нуклеотида за раз. Каждый триплет нуклеотидов, или кодон, определяет (кодирует) одну аминокислотув соответствующем белке.

Итак, в распоряжении клетки имеется 64 (4 × 4 × 4)возможных кодона и лишь 20 аминокислот, а это значит, что обязательно будутвстречаться случаи, когда одной и той же аминокислоте соответствует несколькокодонов. Код считывается маленькими молекулами РНК, которые выделены в отдельный класс — транспортные РНК (тРНК).

На одном конце молекул тРНКприкреплена определенная аминокислота, а на другом выставлена специфическаяпоследовательность из трех нуклеотидов — антикодон — которая и обеспечиваетспаривание данной тРНК со специфическим кодоном или подгруппой кодоновв последовательности мРНК (рис. 1.9).В процессе синтеза белка очередная молекула тРНК, нагруженная соответствующей аминокислотой, должна последовательно состыковаться с молекулоймРНК и через спаривание оснований сопоставить свой антикодон с очередным44Часть 1. Введение в мир клеткикодоном мРНК. После каждого такого сопоставления новая аминокислота должнаприсоединяться к наращиваемой белковой цепи, а молекула тРНК, освобожденнаяот своего бремени, должна быть «отпущена на волю».

Весь этот комплекс процессов выполняется гигантской мультимолекулярной машиной — рибосомой, котораясостоит из двух главных цепей РНК, называемых рибосомными РНК (рРНК),и более чем из 50-ти различных белков. Эта эволюционно древняя молекулярнаяджаггернаутова колесница надвигается на конец молекулы мРНК, затем прокатывается по ней, подминая под себя нагруженные своими ношами молекулы тРНК,и сшивает отобранные у них аминокислоты друг с другом, оставляя после себяколею новой белковой цепи (рис.

1.10).1.1.6.  Фрагмент генетической информации, соответствующийодному белку, представляет собой один генМолекулы ДНК, как правило, очень большие и содержат инструкции длясинтеза тысяч белков. Индивидуальные сегменты полной последовательности ДНКтранскрибируются в отдельные молекулы мРНК, причем каждый сегмент кодируетотдельный белок. Каждый такой сегмент ДНК представляет собой один ген. Однако не все так просто: молекулы РНК, транскрибированные с одного и того жесегмента ДНК, нередко могут обрабатываться не одним, а несколькими разнымиспособами и давать начало целому набору альтернативных версий соответствующегобелка; в особенности это относится к сложно устроенным клеткам, как например,клеткам растений и животных.

Поэтому понятие «ген» в общем и целом звучиткак сегмент последовательности ДНК, соответствующий одному белку или наборуальтернативных вариантов одного белка.Во всех клетках экспрессия отдельных генов подчинена регуляции: вместотого чтобы производить полный ассортимент возможных белков на полной скоростив течение всего времени своей жизни, клетка подбирает интенсивность транскрипции и трансляции различных генов независимо от других – согласно ислючительносвоей потребности. Между сегментами, которые кодируют белки, вкраплены отрезки регуляторной ДНК, и такие некодирующие области связываются со специальными молекулами белка, которые локально управляют скоростью транскрипции(рис. 1.11). В геноме присутствуют также другие некодирующие ДНК, некоторыеиз них, например, служат как бы знаками пунктуации, определяющими, где информация для синтеза отдельного белка начинается, а где заканчивается.

Количествои организация регуляторной и других некодирующих ДНК варьируются в широкихпределах – от одного класса организмов к другому, но основная стратегия их работы универсальна. Таким образом, геном клетки, то есть совокупность генетическойинформации, заключенной в полной последовательности ее ДНК, предписываетне только природу белков клетки, но также время и место их синтеза.1.1.7.  Жизнь нуждается в свободной энергииЖивая клетка — это динамичная химическая система, далекая от химическогоравновесия: она обладает большой внутренней свободной энергией; это означает,что если клетке позволить умереть, то при распаде в окружающую среду высвободится огромное количество энергии. Чтобы клетка смогла произвести на свет новуюклетку по своему образу и подобию, она должна вобрать из окружающей средысвободную энергию, а также сырье, которые нужны ей для осуществления необ-Глава 1.

Клетки и геномы 45Рис. 1.10. Рибосома за работой. а) На рисункесхематично показано, как рибосома перемещается по молекуле мРНК, захватывая молекулы тРНК, соответствующие кодонам в мРНК,и используя их для соединения аминокислот в белковую цепь. Таким образом, мРНКопределяет последовательность аминокислот. б) Трехмерная структура бактериальнойрибосомы (две субчастицы показаны бледнозеленым и голубым цветами), перемещающейся по молекуле мРНК (оранжевые бусы),с тремя молекулами тРНК (желтая, зеленаяи розовая) на различных стадиях процессаих захвата и высвобождения. Рибосома  —гигантский агрегат, состоящий из молекул РНКи более чем 50 молекул индивидуальных белков. (Снимок б — с разрешения Joachim Frank,Yanhong Lee и Rajendra Agarwal.)46Часть 1.

Введение в мир клеткиРис. 1.11. Регуляция экспрессии генов путем связывания белков с регуляторными элементами ДНК.а)  Схема малой части генома бактерии Escherichiacoli, содержащей гены (названные LacI, LacZ, LacYи LacA), кодирующие четыре различных белка. Междукодирующими белок сегментами ДНК (красные) расположены сегменты регуляторной и прочей некодирующей ДНК (желтые). б) Электронномикроскопическая фотография этой же области ДНК с белком(кодируется геном LacI), связанным с регуляторнымсегментом; этот белок управляет скоростью транскрипции генов LacZ, LacY и LacA.

в) Зарисовка структуры, показанной на снимке б. (Снимок б — любезнопредоставлен Jack Griffith.)ходимых реакций синтеза. Потреблениесвободной энергии лежит в основе жизни:как только оно прекращается, клетка распадается согласно законам химическогоравновесия и умирает.Генетическая информация также имеет фундаментальное значения для всего живого.

Прослеживается ли здесь какая-либосвязь? Ответ — да: свободная энергия требуется для распространения информации,и, действительно, между этими двумя величинами существует точное количественноесоотношение. Чтобы определить один битинформации, то есть один раз сделать выбор типа да/нет между двумя равновероятными решениями, надо затратить определенное количество свободной энергии(измеряемой в джоулях), и эта величина зависит от температуры. Количественнаяоценка этой взаимосвязи включает сложные параметры причинно-следственных явлений из области статистической термодинамики и зависит от точного определениятермина «свободная энергия» (обсуждается в главе 2). Основную идею, однако,нетрудно понять на интуитивном уровне.Попробуем представить имеющиеся в клетке молекулы в виде роя обладающихтепловой энергией частиц, совершающих беспорядочные движения и соударяющихся друг с другом.

Для того чтобы задать генетическую информацию – например,в форме последовательности ДНК, – молекулы должны быть выхвачены из этойбуйной толчеи, выстроены в особом порядке, предопределяемом уже имеющейсяв распоряжении клетки матрицей, и связаны воедино в упорядоченную структуру.Связи, что удерживают молекулы в надлежащих позициях на матрице и соединяютих между собой, должны быть достаточно сильны, чтобы противостоять разупорядочивающему действию теплового движения.