Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Каждая клетка содержит тысячи бел- ков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать бел- ки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Кро- ме того, многие клетки изготовляют белки для нужд всего ор- ганизма, например клетки желез внутренней секреции, выде- ляющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно. Синтез белка требует больших затрат энергии. Источни- ком этой энергии, как и для всех клеточных процессов, явля- ется АТФ. Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их мо- лекуле. В свою очередь наследственная информация о первич- ной структуре белка заключена в последовательности нуклео- тидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков. Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последо- вательность из трех расположенных друг за другом нуклеоти- дов — триплет. К настоящему времени составлена карта ге- нетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочета- ния нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (табл. 1.1). 64 различные аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соот- ветствует не один, а несколько различных триплетов — кодо- нов. Предполагается, что такое свойство генетического кода по- вышает надежность хранения и передачи генетической инфор- мации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦТГ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отра- зиться на структуре белка — все равно это будет кодон аланина. Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее со- став обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками пре- пинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена. Очень важное свойство генетического кода — специфич- ность, иными словами, один триплет всегда обозначает только одну-единственную аминокислоту. Генетический код универ- сален для всех живых организмов, от бактерий до человека. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в ядре клетки. Сам синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму ин- формация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью фер- ментов синтезируются молекулы РНК (рис. 1.13). Это проис- ходит следующим образом: против, например, гуанина моле- кулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против аденина молекулы ДНК — урацил РНК, против тимина ДНК — аденин РНК и против цитозина ДНК — гуанин РНК. Так же формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нукле- отидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последова- тельность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил назва- ние транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами, и на- чинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму. В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к спе- циальной транспортной РНК (т-РНК). Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входит около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 1.14). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному на «верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону. В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка — трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 1.15). Рибосома пе- ремещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», за- держиваясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокис- лота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пеп- тидной связью к растущей белковой цепочке. В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, ко- дирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать «строя- щийся» белок. Когда в рибосоме оказывается один из трипле- тов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна и-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень короткие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут. Клетке необходима не одна, а много молекул каждого бел- ка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, чет- вертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомами. Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, струк- тура которого закодирована в новой и-РНК. Таким образом, трансляция — это перевод последователь- ности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка. Подсчитано, что все белки организма млекопитающего мо- гут быть закодированы всего 2% ДНК, содержащимися в его клетках. Для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказыва- ется, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали рань- ше, и содержит не только тот участок, в котором закодирова- на структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого ге- на. Вот почему все клетки, например, человеческого организ- ма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтези- ровать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других — задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах. Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуют- ся специализированные ферменты.
