Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Каж дый триплет нуклеотидов, или кодов, определяет (кодирует) одну аминокислоту в соответствующем белке. Итак, в распоряжении клетки имеется б4 (4 х 4 х 4) возможных кодона и лишь 20 аминокислот, а это значит, что обязательно будут встречаться случаи, когда одной и той же аминокислоте соответствует несколько кодонов. Код считывается маленькими молекулами РНК, которые выделены в от дельный класс — транспортные РНК (тРНК). На одном конце молекул тРНК прикреплена определенная аминокислота, а на другом выставлена специфическая последовательность из трех нуклеотидов — англикодон — которая и обеспечивает 10 Часп 1.
Введение в мир клетки специфичная молекула тРНК тРНК связывается к:,:~ '- со «своимз кодоном в мРНК антикодон аривание оснований кодон в иРНК ИГОГ АМЫНОКНСНО7А ГЗЬШРАНЛ Рис. 1.9. Транспортная РНК. а) Молекула тРНК, специфичная к аминокислоте триптофану. К одному концу молекулы тРНК прикреплен триптофан, тогда как на другом конце выставлен триплет нуклеотидов ССА (антикодон), который узнает кодон триптофана в молекулах информационной РНК. 6) Трехмерная структура специфичной к триптафану молекулы тРНК. Обратите внимание, что нодон и антикодон на виде а находятся, подобно двум цепям в двойной спирали ДНК (см.
Рис, 1.2), в антипараллельной ориентации, так что последовательность антикодона в тРНК считывается справа Ж; налево, в то время как последователь- ,7 мФ ность кодона в мРНК считывается слева направо. антикодон спаривание данной ТРНК со специфическим кодоном или подгруппой кодонов в последовательности мРНК (рис. 1.9). В процессе синтеза белка очередная молекула тРНК, нагруженная соотвег ствующей аминокислотой, должна последовательно состыковаться с молекулой мРНК и через спаривание оснований сопоставить свой антикодон с очередным кодоном мРНК.
После каждого такого сопоставления новая аминокислота должна присоединяться к наращиваемой белковой цепи, а молекула ТРНК, освобожденная от своего бремени, должна быть «отпущена на волю». Весь этот комплекс процессов выполняется гигантской мультимолекулярной машиной — рибосомой, которая со стоит из двух главных цепей РНК, называемых рибосомными РНК (РРНК), и более чем из 50-ти различных белков. Эта эволюционно древняя молекулярная джаггер наутова колесница надвигается а) аминокислота на конец молекулы мРНК, затем (триптофан) прокатывается по ней, подминая под себя нагруженные своими но шами молекулы ТРНК, и сшивает отобранные у них аминокислоты друг с другом, оставляя после себя колею новой белковой цепи (рис.
(ЛО). 1.1. Универсальные особенности клеток на Земле 11 а) наращиваемая полипептидная щгпь ЭТАП 4 ЭТАП 1 новоприбывцая инокиспотой новая тРНК приносит слвдующуго втзиноюислоту ЭТАП 2 тицы ЭТАП 1 Рис. 1.Ю. Рибосома за работой. о) На рисунке схематично показано, как рибосома перемещается по молекуле мРНК, захватывая моле- купы тРН К, соответствующие кодонам в мРНК, и используя их для соединения аминокислот в белковую цепь. Таким образом, мРНК определяет последовательность аминокислот. 6) Трехмерная структура бактериальной рибосомы (две субчастицы показаны бледно- зеленым и голубым цветами), перемещающейся по молекуле мРНК (оранжевые бусы), с тремя молекулами тРНК (желлгол, зеленел и розовая) на различных стадиях процесса их захвата и высвобождения.
Рибосома— гигантский агрегат, состоящий из молекул РНК и более чем бомолекул индивидуальныхбелков. (Снимок 6 — с разрещения >расный Ргап(С УапЬопй (.ее и Ка)влага Лаапяа(! 12 Часть 1. Введение в мир матки. а) Рис. 1.11. Регуляция экспрессии генов путем связывания белков с регуляторными элементвми ДНК. о) Схема малой части генома бзнтерии ЕзсИегкИга соН, содержащей гены (нэзвэнные Гас!, Гаса ГосУ и !.осл), кодирующие четыре различных белка. Между кодирующими белок сегментами ДНК (красные) расположены сегменты регуляторной и прочей некодирующей ДНК (желгпые), б) Электронномикроскопическэя фотография этой же области ДНК с белком [кодируется геном Гос!), связэнным с регуляторным сегментом; этот белок упрэвляет скоростью транскрипции генов Гесс, Гасу и Гасл.
в) Зарисовке структуры, покэзэнной не снимке 6. (Снимок б — любезно предоставлен ззс1 БпгГКК) Белок, связанный с регуляторным е) сегментом ДНК Сегмент ДНК, кодирующий белок 1.1.6. фрагмент генетической информации, соответствующий одному белку, представляет собой один ген Молекулы ДНК, как правило, очень большие и содержат инструкции для синтеза тысяч белков. Индивидуальные сегменты полной последовательности ДНК транскрибируются в отдельные молекулы мРНК, причем каждый сегмент кодируег отдельный белок. Каждый такой сегмент ДНК представляет собой один геи. Од пако не все так просто: молекулы РНК, транскрибированные с одного и того же сегмента ДНК, нередко могут обрабатываться не одним, а несколькими разными способами и давать начало целому набору альтернативных версий соответствующего белка; в особенности это относится к сложно устроенным клеткам, как например, клеткам растений и животных.
Поэтому понятие «ген» в общем и целом звучит как сегмент последовательности ДНК, соответствующий одному белку или набору альтернативных вариантов одного белка. Во всех клетках экспрессия отдельных генов подчинена регуляции: вме сто того чтобы производить полный ассортимент возможных белков на полной скорости в течение всего времени своей жизни, клетка подбирает интенсивность транскрипции и трансляции различных генов независимо от других — согласно ислючительно своей потребности. Между сегментами, которые кодируют белки, вкраплены отрезки регуллторной ДНК, и такие некодирующие области связыва жгжщиРУюкмв ются со специальными молекулами белка, свпиенты ДНК которые локально управляют скоростью транскрипции(рис.
1.111. В геноме присут гес! ствуют также другие некодирующие ДНК, некоторые из них, например, служат как бы знаками пунктуации, определяющими, где информация для синтеза отдельного белка начинается, а где заканчивается. Количество и организация регуляторной и других некодирующих ДНК варьиру ются в широких пределах — от одного класса организмов к другому, но основная стратегия их работы универсальна. Таким 1.1. Универсальные особенности клеток не Земле 13 образом, геном клетки, то есть совокупность генетической информации, заключен ной в полной последовательности ее ДНК, предписывает не только природу белков клетки, но также время н место их синтеза. 1.1.7. Жизнь нуждается в свободной энергии Живая клетка — это динамичная химическая система, далекая от химического равновесия: она обладает большой внутренней свободной энергией; зто означает, что если клетке позволить умереть, то при распаде в окружающую среду высво бодится огромное количество энергии.
Чтобы клетка смогла произвести на свет новую клетку по своему образу и подобию, она должна вобрать из окружающей среды свободную энергию, а также сырье, которые нужны ей для осуществления необходимых реакций синтеза. Потребление свободной энергии лежит в основе жизни: как только оно прекращается, клетка распадается согласно законам хими ческого равновесия и умирает. Генетическая информация также имеет фундаментальное значения для всего живого.
Прослеживается ли здесь какая-либо связью Ответ — да: свободная энергия требуется для распространения информации, и, действительно, между этими двумя величинами существует точное количественное соотношение. Чтобы определить один бит информации, то есть один раз сделать выбор типа да/нет между двумя равно вероятными решениями, надо затратить определенное количество свободной энергии (измеряемой в джоулях), и эта величина зависит от температуры. Количественная оценка этой взаимосвязи включает сложные параметры причинно-следственных яв лений из области статистической термодинамики и зависит от точного определения термина «свободная энергия» (обсуждается в главе 2).
Основную идею, однако, нетрудно понять на интуитивном уровне. Попробуем представить нмеюшиеся в клетке молекулы в виде роя обладающих тепловой энергией частиц, совершающих беспорядочные движения и соударяюших ся друг с другом. Для того чтобы задать генетическую информацию — например, в форме последовательности ДНК, — молекулы должны быть выхвачены из этой буйной толчеи, выстроены в особом порядке, предопределяемом уже имеющейся в распоряжении клетки матрицей, и связаны воедино в упорядоченную структуру. Связи, что удерживают молекулы в надлежащих позициях на матрице и соединяют их между собой, должны быть достаточно сильны, чтобы противостоять разупо рядочивающему действию теплового движения.
Этот процесс протекает за счет по требления свободной энергии, благодаря чему образуются лишь необходимые связи и, образовавшись, остаются устойчивыми. В простейшем случае молекулы можно уподобить взведенным пружинным затворам, готовым защелкнуться и перейти в более устойчивое состояние с более низкой энергией, как только представится подходящий случай; когда молекулы «замыкаются» в единую упорядоченную структуру, запасенная в них энергия — их свободная энергия, — подобно энергии пружины в затворе, высвобождается и рассеивается в виде теплоты. Происходящие в клетке химические процессы, которые лежат в основе передачи информации, гораздо сложнее, но подчиняются тому же основополагающему принципу; для соз дания порядка необходимо затратить свободную энергию. Именно поэтому для точной и безошибочной репликации своей генетической информации и синтеза всех своих сложных молекул в соответствии с точными ин струкциями клетка нуждается в свободной энергии, которая тем или иным образом должна поступать в нее из окружаюшей среды.
14 Часть 1. Введение е мир кпетки 1.1.8. Все клетки работают подобно биохимическим фабрикам, обрабатывающим одни и те же стандартные молекулярные компоновочные блоки Поскольку все клетки синтезируют ДНК, РНК и белок и в каждом случае эти макромолекулы состоят из одного и того же набора субъединиц, все клетки долж ны обладать и управлять всей совокупностью этих маленьких молекул, к которым относятся простые сахара, нуклеотиды и аминокислоты, а также другие вещества, которые повсеместно требуются для их синтеза.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
