Глава 3. Химическая организация клетки
Живая клетка состоит из ограниченного набора химических элементов, хотя количество их велико. На долю шести элементов приходится более 99 % от сухой массы клеток. Это углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (C, H, N, O, P, S). Это главные компоненты всех органических соединений клетки.
Химическое соединение, которое в максимальном количестве представлено в клетке, – вода. Практически все внутриклеточные реакции протекают в водной среде. Вода составляет более 70 % клеточной массы.
В растворенном виде в цитоплазме находятся малые органические молекулы, в состав которых входят четыре основных химических элемента, – C, H, O и N. Например, аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и предшественники жирных кислот. Эти молекулы дают начало макромолекулам: нуклеиновым кислотам, белкам, полисахаридам, жирным кислотам. Кроме того, малые молекулы могут расщепляться в клетке до простых соединений, и энергия их химических связей будет использоваться клеткой для многих процессов жизнедеятельности. Так, глюкоза в процессе окисления расщепляется до углекислого газа и воды. Освободившаяся энергия аккумулируется в форме двух важнейших соединений клетки – АТФ и НАД·Н.
Простые сахара используются клеткой для построения сложных полисахаридов, которые являются запасными веществами. В животной клетке вещество запаса гликоген, а в растительной – крахмал. Мономером этих веществ служит глюкоза. Целлюлоза, главный компонент оболочки растительных клеток, тоже является полимером, построенным из простых сахаров.
Аминокислоты являются строительным материалом для синтеза гигантских линейных полимеров – белков. В белках обычно встречается 20 разных аминокислот. Все аминокислоты имеют общую особенность в строении молекул: карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH2), связанные с одним и тем же углеродным атомом.
Нуклеотиды при полимеризации образуют РНК и ДНК. В состав нуклеотида входит азотистое основание, связанное с пятиуглеродным сахаром (рибозой или дезоксирибозой), который в свою очередь несет еще и фосфатную группу. Пиримидиновые азотистые основания – цитозин, тимин и урацил – являются производными шестичленного кольца. Пуриновые основания (гуанин и аденин) дополнены вторым пятичленным кольцом. Нуклеотид имеет название, соответствующее азотистому основанию:
Роль нуклеотидов в клетке связана не только с нуклеиновыми кислотами. Основной носитель энергии в клетке – АТФ, имеет в своем составе азотистое основание аденин, соединенное с рибозой, к которой последовательно присоединены три остатка фосфорной кислоты. Другое производное аденина – циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) – служит уникальным внутриклеточным сигналом и регулятором скорости множества реакций в клетке.
Основную роль в метаболизме клеток играют гигантские полимерные макромолекулы – белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), жирные кислоты и углеводы.
Вопросы
1. Перечислите малые органические молекулы цитоплазмы клеток.
2. Какова роль глюкозы в клетке?
3. Назовите вещества запаса растительной и животной клетки.
4. Какова роль аминокислот в клетке? В чем особенность их строения?
5. Что такое нуклеотид?
6. Перечислите и охарактеризуйте известные вам нуклеотиды.
7. Какую роль нуклеотиды выполняют в клетке?
Белки
Функции белков. Белки – это сложные органические соединения, состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота. В некоторых белках содержится сера. Молекулы белков – цепи, построенные из аминокислот. Это макромолекулы. Их масса колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон. В природных белках встречается двадцать различных аминокислот. Каждому белку свойственна своя особая последовательность аминокислот. Количество разнообразных белков в природе исчисляется десятками тысяч. В клетках на их долю приходится более 50 % от сухой массы. На клеточном уровне они выполняют много функций. Белки входят в состав всех клеточных органоидов, то есть выполняют структурные функции. В процессе метаболизма в клетке одновременно происходит несколько тысяч реакций. Каждая реакция контролируется специализированным белком – ферментом, который отвечает за точность и скорость проведения реакции. Работа ферментов очень специфична. Один фермент контролирует проведение одной реакции. Ферментативная функция белков – одна из важнейших функций в клетке. С помощью белков происходит транспорт веществ в организме и на клеточном уровне. Все знают белок гемоглобин, осуществляющий перемещение кислорода и углекислого газа в крови. Этот пример демонстрирует транспортную функцию белков. Невозможна жизнь организма без защиты от болезнетворных факторов внешней среды. Эту функцию выполняет иммунная система. В основе работы иммунной системы лежит взаимодействие белков с чужеродными химическими соединениями. Мы перечислили только самые важные функции белков. На самом деле их гораздо больше. Белки – важный компонент пищи животных. В организме они расщепляются до аминокислот, которые используются клетками для построения новых белков.
Вопросы
1. Какие мономеры входят в состав белков?
2. Какую долю по массе составляют белки в клетке?
3. Перечислите основные функции белков в клетках.
4. Почему говорят о специфичности работы ферментов?
5. Назовите белок, который выполняет транспортную функцию.
1. Аминокислоты. Пептидная связь. Аминокислоты, соединенные друг с другом последовательно, образуют первичную структуру белка, или полипептидной цепи.
Каждая аминокислота имеет группу – NH2, которая обладает свойствами основания, и группу – СООН, характерную для всех органических кислот. Следовательно, аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства кислоты и основания. Они способны взаимодействовать друг с другом. Взаимодействуя с помощью рибосом, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной группировки и азотом основной группы. Образовавшаяся ковалентная связь называется пептидной связью. Побочный продукт реакции – вода. Полипептидные цепочки из аминокислот обычно не ветвятся и не замыкаются в кольцо.
Аминокислоты имеют общий план строения, но отличаются друг от друга по строению радикала. Радикалы могут иметь простое или сложное строение, могут содержать серу: – CH2SH.
2. Вторичная структура. Белковая спираль. Громадная полипептидная цепь самопроизвольно складывается в пространстве за счет взаимодействия между остатками карбоксильных и аминогрупп аминокислотных остатков. Основа взаимодействия аминокислотных остатков – слабые водородные связи, многократно повторяющиеся вдоль длинной полипептидной цепи. В результате такого взаимодействия цепь приобретает вид спирали (a-структура) (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Вторичная структура полипептида – α-спираль (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).
3. Третичная и четвертичная структуры. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию между собой сложных радикалов аминокислотных остатков в составе одного белка. Например, удаленные друг от друга в полипептидной цепи две аминокислоты, содержащие в составе радикалов серу, могут образовывать дисульфидные мостики, или S-S связи. Благодаря подобным взаимодействиям полипептидная спираль сворачивается и приобретает специфическую форму, например глобулы. Большинство белков глобулярные: общая формула их молекул более или менее сферическая. Известны и фибриллярные белки. Их молекулы в рабочем состоянии вытянуты в волокно. Пространственная конфигурация полипептидной молекулы играет важную роль в осуществлении ее функции.
Четвертичная структура белка представляет собой сложное функциональное объединение нескольких полипептидных молекул с третичной структурой. Например, молекула белка гемоглобина включает в себя четыре полипептида с третичной структурой: две молекулы a-гемоглобина и две молекулы b-гемоглобина. Кроме того, в центре этой сложной молекулы находится гетероциклическое соединение, в состав которого входит железо. Функциональная особенность гемоглобина, как и других белковых молекул, зависит от его пространственной конфигурации (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Третичная и четвертичная структура молекулы гемоглобина.
Биосинтез белка осуществляется в цитоплазме всех живых клеток. Происходит этот процесс на рибосомах с участием матричных РНК (мРНК) и транспортных РНК (тРНК), которые образуются в ядре, как на матрице, на молекуле ДНК. Хотя молекулы ДНК не принимают непосредственного участия в биосинтезе белка на рибосомах, они играют в этом процессе ключевую роль. В них закодирована информация о последовательности аминокислот в молекуле белка. Главный постулат клеточной биологии: ДНК → РНК → белок. Чтобы разобраться в процессе биосинтеза белка, рассмотрим строение и функции нуклеиновых кислот, что важно для понимания работы клетки.
Вопросы
1. Какие химические элементы входят в состав молекул белков?
2. Из каких химических соединений образуются молекулы белков в клетке?
3. В чем значение водородных связей в белковых молекулах?
4. В чем значение правильных пространственных конфигураций белковых молекул?
5. Каким образом формируется глобулярная структура белка?
6. Приведите пример белка, для которого характерна четвертичная структура.
7. Что такое полипептид?
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Открытие структуры ДНК, одного из типов нуклеиновых кислот, позволило понять, каким образом в ней кодируется генетическая информация, необходимая живым организмам для регуляции жизнедеятельности. Понимание структуры ДНК навело на мысль о том, как эта информация удваивается, без чего невозможно размножение клеток и организмов.
Нуклеиновые кислоты являются длинными полимерными молекулами. Например, длина молекулы ДНК может достигать нескольких сантиметров. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Сахара в молекулах ДНК и РНК различаются: в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Специфичность молекул ДНК и РНК определяется последовательностью азотистых оснований или нуклеотидов. Азотистые основания и нуклеотиды принято обозначать первой буквой их названия. В состав ДНК входят четыре типа азотистых оснований: А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин). В состав РНК – так же четыре, но вместо тимина (Т) урацил (У).
Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится очень большое количество остатков фосфорной кислоты. Каждый нуклеотид, являющийся мономером ДНК или РНК, имеет в своем составе остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинные полимерные молекулы с помощью фосфатных группировок. Остатки фосфорной кислоты соединяют между собой сахара посредством прочной ковалентной фосфодиэфирной связи. Образуется длинный неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида, который является прочным и стабильным. Это очень важно, так как в результате уменьшается риск нарушений структуры в молекулах ДНК и РНК.
Структура ДНК. ДНК состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей. Длина молекулы может доходить до нескольких сантиметров. Каждая цепь закручена в спираль вправо. Две цепи свиты вместе, закручены вправо вокруг одной и той же оси, в результате чего образуется двойная спираль. Две цепи двойной спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны (рис. 3.3), направление расположения сахаров противоположно. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси располагаются азотистые основания. Азотистые основания двух цепей двойной спирали ДНК находятся строго друг против друга, перпендикулярно длинной оси. Азотистые основания двух цепей связаны между собой слабыми водородными связями. Промежуток между цепями имеет постоянный размер. Он равен расстоянию, занимаемому парой азотистых оснований. Аденин всегда спаривается только с тимином (А – Т), а гуанин – с цитозином (Г – Ц). Последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов другой цепи. Поэтому говорят, что две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи ДНК не существует. На один полный оборот двойной спирали приходится 10 пар азотистых оснований. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, строго периодично.
Рис. 3.3. Схема антипараллельности двух нитей в молекуле ДНК. Сахара двух нитей имеют противоположное направление.
Вопросы
1. Назовите азотистые основания, входящие в состав молекул ДНК и РНК. Какое азотистое основание присутствует в ДНК и отсутствует в РНК?
2. Что такое нуклеотид?
3. Как связаны между собой нуклеотиды в составе нуклеиновых кислот?
4. Что такое сахарофосфатный остов?
5. В чем принцип комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК? Приведите примеры.
6. Объясните структуру молекулы ДНК.
7. Что вы знаете о строении молекул РНК?
Функции РНК. Молекулы РНК в несколько раз меньше, чем молекулы ДНК. РНК, в отличие от ДНК, является одноцепочечной молекулой, хотя отдельные участки могут быть комплементарны друг другу, за счет чего образуются небольшие двуспиральные участки – «шпильки». Это важно при образовании пространственной структуры молекул РНК (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Схема участка одинарной цепи РНК. Присутствуют короткие спаренные области, образованные за счет комплементарности азотистых оснований в небольших участках молекулы (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).
РНК – это класс разнообразных по размерам и функциям молекул, которые служат посредником при реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка. Все типы молекул РНК образуются на молекуле ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности азотистых оснований:
Этот процесс образования РНК на одной из цепей молекулы ДНК называется транскрипцией. Во время транскрипции двуспиральная молекула ДНК раскручивается на небольшом участке, где происходит синтез РНК. Затем РНК отделяется от участка молекулы ДНК, а ДНК опять скручивается в двойную спираль. Молекулы РНК перемещаются из ядра в цитоплазму. В клетке процесс транскрипции и созревания молекул РНК, а также их выход в цитоплазму, происходит в несколько этапов, с участием большого количества ферментов, разнообразных структурных и регуляторных белков. Но наша задача – усвоить принцип процессов, обеспечивающих биосинтез белка, а, следовательно, процесс реализации генетической информации.
В клетке различают три основных класса молекул РНК: мРНК (матричная РНК), тРНК (транспортная РНК) и рРНК (рибосомная РНК). Матричную РНК часто называют информационной РНК (иРНК), это синонимы.
Матричная РНК, попадая в цитоплазму, соединяется с рибосомой. Последовательность нуклеотидов мРНК кодирует определенную последовательность аминокислот в молекуле белка.
Транспортная РНК также находится в цитоплазме вблизи рибосом. Она транспортирует аминокислоту из жидкой фазы цитоплазмы в рибосому. Транспортную РНК иногда называют трансферной, или адаптерной. Количество разных тРНК велико, так как каждой аминокислоте соответствует своя тРНК.
Рибосомная РНК представлена несколькими молекулами разного размера, которые входят в состав рибосом. Рибосомы почти полностью образуются в ядре, а потом в виде двух незрелых субъединиц выходят в цитоплазму. Следовательно, отдельных молекул рРНК в цитоплазме нет.
Таким образом, ДНК и РНК играют ключевую роль в кодировании и реализации генетической информации.
Функции ДНК. Одна из главных функций ДНК – кодирование генетической информации. Длинные молекулы ДНК «разделены» на отдельные участки, каждый из которых кодирует один полипептид. Такой участок ДНК называют геном. В одной молекуле ДНК может находиться от нескольких сотен до нескольких тысяч генов. Ключом к кодированию генетической информации является генетический код.
Генетический код – это последовательность трех нуклеотидов, которая кодирует одну аминокислоту полипептида. Итак, ген – это большой участок молекулы ДНК, а генетический код имеет в своем составе всего три нуклеотида.
Принцип кодирования одинаков для всех живых организмов. Это свойство генетического кода называют универсальностью. Универсальность генетического кода говорит о том, что принцип кодирования сложился на самых ранних этапах эволюции, еще в те времена, когда на Земле, кроме прокариот, не было других живых организмов.
Кроме триплетности и универсальности у генетического кода есть еще одно важное свойство – вырожденность. Оно означает, что одна аминокислота может быть закодирована не одним триплетом, а двумя, тремя, или даже четырьмя вариантами триплетов.
Таким образом, генетическая информация в ДНК закодирована в генах с помощью генетического кода.
Для сохранения жизни на Земле должен существовать не только принцип кодирования генетической информации, но и способ ее удвоения. Клетки делятся, из одной получаются две, и каждая из дочерних клеток должна получить идентичную генетическую информацию от материнской клетки.
Уникальным свойством воспроизведения себе подобной обладает только молекула ДНК. Процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Он сходен у прокариот и эукариот. У эукариот репликация ДНК происходит в ядре только во время S-фазы клеточного цикла и длится 9–10 часов. У прокариот молекула ДНК короче и реплицируется в течение 20–30 минут непосредственно в цитоплазме.
Принцип репликации простой: две нити двуспиральной молекулы ДНК отходят друг от друга, и на каждой из них синтезируется новая нить, комплементарная данной. Свойство комплементарности азотистых оснований обеспечивает образование двух новых молекул, полностью идентичных материнской ДНК. Каждая из двух новых молекул будет содержать одну нить ДНК исходную, материнскую, а другую новую, синтезированную заново. Такой способ репликации называют полуконсервативным (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Модель репликации двойной спирали ДНК, предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Полуконсервативный способ репликации (по Ченцову, 2004).
Изучение процесса репликации показало, насколько он сложен. В этом процессе работает ферментативный комплекс, объединяющий не менее 10 разнообразных ферментов. Начало репликации связано с образованием сложной пространственной структуры – «вилки» репликации, где спаренные цепи в молекуле ДНК расходятся при разрушении водородных связей между азотистыми основаниями. Главную работу по полимеризации нуклеотидов в цепи ДНК катализирует фермент ДНК-полимераза. Синтез двух новых цепей ДНК происходит не синхронно. На одной цепи этот процесс идет быстрее, а на другой медленнее. Соответственно, синтезируемые цепи ДНК так и называются – ведущая и отстающая.
Итогом репликации является точное удвоение материнской молекулы ДНК.
Вопросы
1. Перечислите типы молекул РНК, назовите их функции.
2. Что такое транскрипция?
3. Какие типы РНК образуются в результате транскрипции?
4. Что такое ген?
5. Что такое генетический код? Каковы его свойства?
6. Как связаны понятия «ген» и «генетический код»?
7. Что такое репликация? В чем значение этого процесса?
8. Назовите основные принципы репликации.
9. В чем состоит принцип полуконсервативности процесса репликации?
Биосинтез белка
Началом процесса синтеза белка считается копирование одной из нитей ДНК на небольшом участке, называемом геном, с образованием мРНК. Процесс копирования участка ДНК, как известно, называется транскрипцией. У прокариот он происходит в цитоплазме, у эукариот – в ядре интерфазной клетки. Транскрипция – это начальный этап передачи информации от ДНК для синтеза белка. Когда идет процесс транскрипции, то говорят, что ген работает. Работающие гены – это гены, на которых происходит транскрипция.
После транскрипции молекулы РНК выходят из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы – органоиды клетки, функцией которых является биосинтез белка. Рибосомы всех типов живых клеток имеют сходное строение. Это немембранный органоид почти сферической формы, диаметром около 20 нм, состоящий из большой и малой субъединиц. В рибосомах есть участок, где присоединяется длинная молекула мРНК. Каждая молекула мРНК соответствует одному гену, т. е. копирует небольшой участок молекулы ДНК, который отвечает за синтез одной молекулы белка. В составе рибосомы одновременно может находиться только маленький участок мРНК, он соответствует шести нуклеотидам.
Молекулы мРНК длинные, в их составе может быть несколько сотен нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов кодирует последовательность аминокислот в белке. Кодирование происходит одинаково у всех живых организмов. Каждые три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Это свойство генетического кода – триплетность. Молекула мРНК, постепенно считываясь, пропускается через рибосому, каждый раз продвигаясь на 3 нуклеотида, и вся информация, которая в ней закодирована, реализуется.
Расшифровка генетической информации в рибосоме происходит с помощью молекул тРНК. По сравнению с мРНК, это небольшие молекулы. Они тоже образуются в ядре на ДНК, как на матрице, на специальных участках. Из ядра молекулы тРНК выходят в цитоплазму, направляясь к рибосомам.
Рис. 3.6. Строение молекулы тРНК. Один ее конец (акцепторный) предназначен для присоединения аминокислоты. Второй важный участок – антикодон, состоящий из трех нуклеотидов (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).
Известен 61 вид молекул тРНК. Они отличаются друг от друга тройкой азотистых оснований на самой вершине молекулы. Это очень важный участок тРНК. С помощью него тРНК находит свое место в рибосоме. Этот участок называется антикодон. Любая тРНК только тогда займет свое место в рибосоме, когда ее антикодон будет комплементарен генетическому коду мРНК. В тРНК известен еще один важный участок (акцепторный конец) – это один из ее концов, сюда присоединяется аминокислота. Присоединение аминокислоты специфично и соответствует антикодону (рис. 3.6).
Транспортные РНК приносят аминокислоты к рибосоме и занимают свое место на специальных участках рибосомы, взаимодействуя с мРНК. В рибосоме одновременно находятся два триплета иРНК, следовательно, к рибосоме сразу могут присоединяться две молекулы тРНК. Расположены они близко друг к другу, почти соприкасаются (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Схема нагруженной рибосомы, удерживающей мРНК и две молекулы тРНК с грузом. Левая тРНК удерживает синтезируемый пептид из трех аминокислот (аа). Правая тРНК доставила следующую аминокислоту. Стрелка показывает направление смещения мРНК относительно рибосомы (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).
Главная функция тРНК – доставить аминокислоты в рибосому. Из аминокислот в рибосоме синтезируется белок.
Взаимосвязь тРНК с аминокислотами происходит в цитоплазме вне рибосомы. Аминокислота присоединяется к концевому участку тРНК. Один вид тРНК может связать аминокислоту только определенного вида. Например, антикодон тРНК – ГЦУ, это соответствует кодону ЦГА в мРНК, а, следовательно, аминокислоте – аргинину (арг). Транспортная РНК с аргинином займет свое место в рибосоме, когда в соответствующем участке мРНК в рибосоме будет триплет азотистых оснований – ЦГА.
Итак, допустим, две тРНК с соответствующими аминокислотами занимают свое место в рибосоме. Аминокислоты, принесенные ими, находятся близко друг к другу, и рибосома соединяет их химической связью. Образуется маленькая белковая молекула, состоящая всего из двух аминокислот. Затем первая тРНК освобождается и уходит в цитоплазму, где она опять может присоединить к себе соответствующую аминокислоту. Вторая тРНК удерживает в это время синтезируемую молекулу белка. В этот момент мРНК вместе со второй тРНК и синтезируемой молекулой белка передвигается на три нуклеотида влево, согласно стрелке на схеме (рис. 3.7). Вторая тРНК занимает в рибосоме место первой. Место второй тРНК оказывается свободным, но здесь уже следующий триплет азотистых оснований в молекуле мРНК. Чтобы третья тРНК с соответствующей аминокислотой заняла свое место в рибосоме, у нее должен быть комплементарный антикодон.
Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не считается вся информация с мРНК. Весь процесс происходит в рибосоме и называется трансляцией. Язык кодирования в последовательности азотистых оснований переводится на другой язык – последовательности аминокислот.
Цикл присоединения одной аминокислоты длится доли секунды. Белок из 400 аминокислот синтезируется очень быстро, примерно за 20 секунд. Однако процесс биосинтеза белка требует больших затрат энергии. Для образования одной пептидной связи необходимо 4 молекулы энергоносителя.
Мы рассмотрели основные принципы биосинтеза белка в клетке, но на самом деле этот процесс очень сложен. Существует много форм регуляции как самого процесса биосинтеза, так и его начальной и конечной фаз.
Вопросы
1. Какой процесс в ядре предшествует биосинтезу белка?
2. Какова роль рибосом в биосинтезе белка?
3. В чем значение мРНК в биосинтезе белка?
4. Какова функция тРНК в биосинтезе белка?
5. Сколько тРНК может одновременно находиться в рибосоме?
6. Что такое пептидная связь?
7. Насколько быстро синтезируется белок в клетке?