Страница 12 из 14
Вторая тРНК с дипептидом перемещается в пептидный центр, а в рибосому входит третья тРНК с аминокислотой (рис. 22). Весь процесс далее вновь и вновь повторяется. иРНК, последовательно продвигаясь через рибосому, каждый раз вносит новую тРНК с аминокислотой и выносит освободившуюся тРНК. Постепенно идет наращивание полипептидной цепи. Весь процесс обеспечивается деятельностью ферментов и энергией макроэргических соединений (АТФ и др.).
Рис. 22. Схема биосинтеза полипептидной цепи. Стрелкой показано направление движения иPHК
Последний этап — терминация. Как только в аминоацильный центр попадает стоп-кодон, синтез прекращается. Место тРНК занимает в этом случае специфический белок-фермент, который осуществляет гидролиз связи между последней тРНК и синтезированным белком. Рибосома снимается с иPHК и распадается на две субъединицы, последняя тРНК также освобождается и попадает вновь в цитоплазму. Синтезированная молекула белка поступает в ЭПС или цитоплазму, где претерпевает изменения и приобретает соответствующие структуры.
Процесс трансляции обычно осуществляется многократно. Одна иPHК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя поли рибосому.; или полисому, на которой идет одновременно синтез многих молекул одного белка (рис. 23).
Рис. 23. Полисома: 1 — иPHК; 2 — малая субъединица рибосомы; 3 — большая субъединица рибосомы; 4 — синтезируемая полипептидная цепь
Если синтез происходит на гранулярной эндоплазматической сети, то поли пептидная цепь поступает в канальца эндоплазматической сети. Здесь она приобретает свою окончательную структуру и превращается в молекулу белка. Далее белок поступает в аппарат Гольджи и выносится из клетки. Если синтез происходит на рибосомах в цитоплазме, то синтезированные молекулы остаются и используются клеткой.
Весь процесс синтеза одного белка длится от 20 до 500 с и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 20 с.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какое строение имеет молекула тРНК? Назовите ее ключевые участки.
2. За счет каких связей поддерживается конфигурация молекулы тРНК?
3. Сколько видов тРНК имеется в клетке? Чем они отличаются друг от друга? Почему их такое количество?
4. Назовите процесс синтеза полипептидной цепи. В каких органеллах клетки он происходит?
5. Используя таблицу кодов ДНК, определите аминокислотный состав фрагмента полипептидной цепи, если участок гена на ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность:
ГАТГАТЦАГГАТГЦЦТГТЦТГТТЦААГГГАЦТЦАТТ.
6. Каким образом синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка?
9. Матричный синтез ДНК
Репликация ДНК
Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называется репликацией или удвоением молекул ДНК.
Открытию механизма репликации предшествовали многочисленные эксперименты по синтезу ДНК. Модель молекулы ДНК, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, породила целую серию экспериментов по выяснению механизма ее репликации. Наиболее убедительные данные были представлены в 1958 г. учеными М. Мезелсоном и Ф. Сталем. В процессе эксперимента были выдвинуты три гипотезы.
1. Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза полностью новой молекулы ДНК, т. е. новая ДНК является полной копией исходной.
2. Полуконсервативная репликация. На каждой цепи исходной молекулы ДНК синтезируется вторая недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной и одной новой цепи ДНК.
3. Фрагментарная репликация. Молекула ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матрицы для достройки недостающих фрагментов новых молекул ДНК.
В качестве объекта эксперимента была использована кишечная палочка, которая содержит в клетке всего одну молекулу ДНК. Для выяснения правильной версии бактерии выращивались на питательной среде, содержащей радиоактивный изотоп азота 15N. Через несколько поколений ДНК всех бактерий содержали изотоп 15N (рис. 24).
Puc. 24. Гипотезы процесса репликации ДНК: 1. А — консервативная; Б — полуконсервативная; В — фрагментарная. II. Результат центрифугирования молекулы ДНК бактерий
Методом центрифугирования эти ДНК были выделены из клеток в виде отдельной фракции, что доказывало, что ДНК всех бактерий имеют одинаковый изотопный состав. Далее бактерии, содержащие в ДНК только изотоп 15N, были перенесены на питательную среду с обычным изотопом азота 14N. Центрифугирование ДНК нового поколения бактерий показало, что эти молекулы содержали азот 14N и 15N, но их невозможно было разделить по массе на фракции. Следовательно, оба изотопа находились в одной молекуле ДНК. Первая версия о консервативном способе репликации ДНК была отвергнута, так как отсутствовали отдельные фракции ДНК с 14N и ДНК с 15N.
Для проверки двух оставшихся версий были исследованы ДНК третьего поколения бактерий. Их удалось четко разделить на две фракции: ДНК (14N) и ДНК (14N, 15N). Таким образом, отпала третья версия о фрагментарной репликации ДНК. Эксперимент позволил установить, что ДНК синтезируется полуконсервативным способом.
В основе репликации ДНК лежат следующие принципы.
Комплементарность. Каждая цепь молекулы ДНК содержит последовательность нуклеотидов, в точности комплементарную последовательности нуклеотидов на другой цепи. Следовательно, новые молекулы несут одну и ту же генетическую информацию: цепь А является шаблоном для синтеза цепи А', а цепь А' — шаблоном для синтеза цепи А.
Полуконсервативный синтез. Если разделить цепи А и А' одной молекулы ДНК, то каждая из них будет служить матрицей для синтеза соответствующей недостающей цепи. Новые молекулы ДНК будут содержать одну новую и одну исходную материнскую цепь ДНК. Две дочерние молекулы ДНК полностью идентичны исходной материнской.
Антипараллельность. Две цепи в молекуле ДНК антипараллельны. Это значит, что у нуклеотида в начале одной цепи находится остаток дезоксирибозы со свободной гидроксогруппой (-OH) у 3'-атома углерода, а у комплементарного ему нуклеотида в начале другой цепи находится остаток фосфорной кислоты, соединенный с 5'-атомом углерода дезоксирибозы. Соответственно, первая цепь заканчивается нуклеотидом с 5'-концом, а вторая цепь — нуклеотидом с 3'-концом.
Челночный синтез. Фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий синтез новой цепи ДНК на матрице исходной цепи, соединяет нуклеотиды только в направлении от 5'-нуклеотида к 3'-нуклеотиду. Поэтому синтез идет на одной цепи вперед в направлении 5'—3' непрерывно, а затем по другой цепи назад к 5'-концу фрагментами. Отдельные фрагменты соединяются позже.
Процесс репликации протекает в три стадии.
Стадия I — инициация. Репликация молекулы ДНК начинается с разъединения двойной спирали с одного конца, причем процесс идет не на всем участке молекулы, а частями, фрагментарно. Эта реакция проводится в присутствии нескольких белковых факторов. Две цепи в молекуле ДНК связаны достаточно прочно, поэтому для их разъединения необходимы специальные белки. Белки первого типа, перемещаясь по молекуле ДНК, раскручивают спираль и разрушают водородные связи между комплементарными основаниями, расплетая двойную спираль. Белки второго типа предотвращают повторное соединение двух цепей и обеспечивают эффективность действия белков первого типа. Кроме того, они выпрямляют одиночные цепи ДНК и обеспечивают продвижение фермента ДНК-полимеразы, который катализирует синтез новых цепей. В результате действия всех белковых факторов образуется репликационная вилка (рис. 25).