Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 76)

Свойства белков определяются не только их составом, но и строением, структурой белковых молекул. Полипептидпые нити в белковых молекулах свернуты в сложные трехмерные структуры (конформации), напоминающие спутанный клубок ниток. Специфические свойства белка зависят от характера этой трехмерной структуры. Если разрушить ее, оставив сами аминокислотные цепочки неповрежденными, белок перестает функционировать. Однако такой денатурированный белок обладает способностью при определенных условиях восстанавливать свою трехмерную структуру. При этом и функции его вновь восстанавливаются. Трехмерная конфигурация белковой молекулы определяется последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. А эта последовательность кодируется соответствующим геном (см. ниже). Синтез белков в клетках осуществляется с помощью нуклеиновых кислот ДНК и РНК. Чтобы понять, как это происходить, рассмотрим строение их молекул.

Рис. 4.2.2. Схема строения молекулы ДНК

На рис. 4.2.2. изображена схема молекулы ДНК. Молекула состоит из двух полинуклеотидных нитей, закрученных одна вокруг другой наподобии винтовой лестницы, образуя знаменитую двойную спираль молекулярной биологии. Нити построены из большого числа нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы (Д), фосфатного остатка (Ф) и одного из четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т). Поскольку две первые составляющие (Д) и (Ф) у всех нуклеотидов одинаковы, они отличаются друг от друга только азотистыми основаниями. Остов каждой нити образуют чередующиеся блоки (Д) и (Ф). К молекулам сахара (Д) прикреплены азотистые основания, при этом каждое основание одной нити соединяется со строго определенным основанием другой нита, образуя мосты или перемычки между нитями. Аденин всегда соединяется с тимином (А—Т), а гуанин — с цитозином (Г—Ц). Последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной нити или, иными словами, последовательность азотистых оснований (например: ГГТАТТГТЦ...) составляет содержание генетической информации. Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов точно так же, как информация, содержащаяся в письменном тексте, кодируется последовательностью букв. Заметам, что последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК полностью определяет их последовательность в другой цепи, поскольку азотистое основание каждого типа одной цепи может соединяться только с вполне определенным основанием другой цепи.

Каким же образом последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК кодирует последовательность аминокислот в синтезируемых молекулах белка? Очевидно, каждый отдельный нуклеотид не может использоваться в качестве элемента кода, так как имеется всего 4 разных типа нуклеотидов, а число кодируемых аминокислот равно 20. Следовательно, должны использоваться комбинации нуклеотидов, отличающиеся типом и порядком расположения входящих в них азотистых оснований. Если в каждую кодовую группу включить по два нуклеотида, то число возможных комбинаций (из четырех нуклеотидов по два) будет равно 16; этого недостаточно для кодирования 20 аминокислот. При включении в кодовую группу трех нуклеотидов получим 64 различные комбинации: ААА, ААГ, ААТ, ААЦ, ... ЦЦЦ. Этого уже вполне достаточно и даже с избытком. Природа использовала именно этот простейший трехзначный код: каждая аминокислота кодируется сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов, образующих кодон. Так, кодон ГГТ кодирует аминокислоту глицин, АТТ кодирует изолейцин, ГТЦ кодирует валин и т. д. Всего имеется 64 кодона, из них 61 кодон используется для кодирования аминокислот, а три кодона, так называемые «стоп-кодоны», определяют окончание синтеза полипептидной цепи. Поскольку число кодонов превышает число аминокислот, то для кодирования одной аминокислоты могут использоваться несколько кодонов (например, глицин кодируется четырьмя кодонами: ГГТ, ГГЦ, ГГА и ГГГ), но при этом каждый кодон всегда кодирует только одну строго определенную аминокислоту. Последовательность кодонов, которые кодируют полипептидную цепь какого-то белка, образует ген. Таким образом, каждый ген, представляющий собой определенный участок молекулы ДНК, соответствует определенной полипептидной цепи. Всего в хромосомах клетки содержатся сотни тысяч генов, при этом типичный ген содержит несколько сотен кодонов. Все живые организмы, все формы жизни на Земле — от простейшей бактерии до человека — используют один и тот же генетический код. Это говорит о единстве и общем происхождении всех форм земной жизни.

Молекула ДНК хранит программу синтеза всех белков, используемых живыми организмами, но сама она непосредственно не участвует в синтезе белка. Синтез осуществляется с помощью молекул рибонуклеиновой кислоты РНК. Молекулы РНК по своему строению очень похожи на молекулы ДНК, только в состав их вместо дизоксирибозы входит другой сахар — рибоза, а вместо тимина — другое азотистое основание: урацил. В синтезе белка участвуют три вида РНК: матричная (или информационная), транспортная и рибосомальная. На первом этапе синтеза белка в ядре клетки вблизи соответствующего участка ДНК строится молекула матричной РНК, последовательность нуклеотидов в которой точно соответствует копируемому участку ДНК (с заменой тимина на урацил). Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, переписывается на молекулу матричной РНК, этот процесс называется транскрипцией. Затем начинается второй этап — трансляция, в ходе которого последовательность нуклеотидов матричной РНК переводится в последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Эта фаза протекает в рибосомах, являющихся теми «цехами» клеточной фабрики, где осуществляется сборка белковых молекул. Поступившая в рибосому матричная РНК входит во взаимодействие с рибосомальной РНК и с ее помощью может перемещаться относительно рибосомы, наподобие магнитной ленты в лентопротяжном механизме. Перемещение происходит дискретными шагами на величину одного кодона. В фиксированном положении около места сборки останавливается определенный кодон матричной РНК. Сюда прибывают транспортные РНК, каждая из которых несет на себе соответствующую аминокислоту. Та РНК, антикодон которой соответствует кодону матричной РНК, прикрепляется к нему, несомая ею аминокислота соединяется с концом строящейся полипептидной цепи, после чего транспортная РНК отщепляется от матричной и отправляется за новой аминокислотой. Матричная РНК перемещается на один шаг, и к месту сборки подходит другой кодон; к нему прикрепляется новая транспортная РНК вместе с несомой ею аминокислотой и т. д. Так в клетке реализуется очень тонкий процесс сборки белковых молекул по программе, записанной в ДНК.

Но это еще не все! Ведь в живой клетке синтезируется множество различных белков. Следовательно, полная программа должна содержать подпрограмму, определяющую порядок работы, когда те или иные гены активизируются в определенной последовательности. Особенно это относится к многоклеточным организмам, у которых в различных клетках вырабатываются разные белки и, следовательно, в разных клетках должны быть активированы разные гены. Активация тех или иных генов осуществляется с помощью особых ферментов. Именно ферменты помогают спирали ДНК раскрутиться и определяют, какая часть записанной в ней информации будет передана в РНК. Синтез молекул нуклеиновых кислот, как и синтез белковых молекул, зависит от активности множества ферментов, но сами эти ферменты синтезируются по программам, записанным в ДНК. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки образуют взаимосвязанную систему, определяющую функционирование живой клетки. Недаром земную жизнь называют белково-нуклеиновой.

Конечно, сами по себе белки и нуклеиновые кислоты еще не образуют живую систему. Для того чтобы клетка могла функционировать, чтобы могли протекать те множества реакций, которые характеризуют метаболизм клетки, процесс ее жизнедеятельности — необходимо иметь, помимо генетического аппарата, исходное сырье, растворитель и источник энергии. Исходное сырье доставляется в клетку в процессе питания. Растворителем служит вода, на долю которой приходится подавляющая часть вещества клетки (в теле человека 70% по массе). Поэтому земную жизнь называют также водно-углеродной. Источником энергии, как уже говорилось выше, являются углеводы.

Углеводы образуются в растительных клетках в процессе фотосинтеза. При этом в качестве сырья используются углекислый газ и вода, поступающие в клетку из окружающей среды. Под действием солнечного света из молекул углекислого газа и воды образуется молекула сахара гексозы и молекулы кислорода, которые выделяются в окружающую среду:

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ .

Энергия солнечного света переходит в энергию химических связей образующейся молекулы углевода. Часть образующихся молекул гексозы используется в качестве исходного материала для биосинтеза других органических соединений в растениях, часть при соединении с кислородом (внутриклеточное дыхание) образует углекислый газ и воду:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + энергия.

Продукты дыхания (углекислый газ и вода) выводятся из клетки, а освобождающаяся энергия, содержавшаяся в химических связях гексозы, используется в протекающих в клетке биохимических реакциях. Таким образом, возникающие в процессе фотосинтеза углеводы являются одновременно и исходным сырьем, и источником энергии для дальнейшего биосинтеза. Так как только часть образующихся углеводов расходуется при дыхании, то общее количество кислорода, выделяемое растениями в процессе фотосинтеза, превышает количество кислорода, поглощаемого ими при дыхании. Избыток кислорода используют для своего дыхания животные. В клетки животных организмов и в те клетки растений, которые не участвуют в фотосинтезе, углеводы поступают в процессе питания. Избыток энергии, освобождающейся в клетке, аккумулируется в молекулах липидов и расходуется организмом по мере необходимости.