Ассимиляция у гетеротрофов
Ассимиляция у гетеротрофов рассматривается на примере репликации ДНК и биосинтеза белка.
Репликация ДНК (удвоение ДНК)
В результате этого процесса образуются две двойные спирали ДНК, которые ничем не отличаются от исходной (материнской). Сначала с помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Затем к обеим цепям ДНК подходит специальный фермент праймаза (от англ. primer — затравка), который синтезирует небольшой участок новой ДНК. Затем еще один фермент удаляет праймазу, а к образовавшемуся участку новой ДНК прикрепляется фермент ДНК-полимераза, осуществляющий синтез дочерних цепей ДНК. Необходимость праймазы обусловлена тем фактом, что фермент ДНК-полимераза не может самостоятельно начать синтез цепей ДНК.
На одной из цепей процесс идет непрерывно — эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь ДНК синтезируется короткими фрагментами (фрагментами Оказаки), которые «сшиваются» вместе с помощью специального фермента (ДНК-лигазы). Эта цепь называется отстающей или запаздывающей (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Схема репликации ДНК
Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. У эукариот в ДНК имеется много репликонов, у прокариот только один репликон. В каждом репликоне есть репликативная вилка — это та часть молекулы ДНК, которая уже расплелась.
Репликация основана на ряде принципов (рис. 4.25):
- комплементарности (А–Т, Ц–Г);
- антипараллельности. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию: один конец несет остаток ортофосфорной кислоты, соединяющейся с 5¢-углеродом дезоксирибозы, а второй — ОН-группу, соединенную с 3¢-углеродом. Цепи
в молекуле ДНК расположены антипараллельно: одна от 3¢- к 5¢-концу, а вторая (комплементарная ей) — от 5¢- к 3¢-концу. Фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи лишь в одном направлении: от их 3¢-концов к 5¢-концам. Поэтому синтез новых цепей идет антипараллельно; - полуконсервативности. Образуются две дочерние спирали, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК;
- прерывистости. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно; поэтому
репликация начинается одновременно в нескольких местах.
Рис. 4.25. Принципы репликации
При репликации ДНК дочерние цепи должны быть точно такими же, как и материнские. Однако ДНК состоит из миллионов пар нуклеотидов, поэтому при репликации неизбежно возникают ошибки, когда в дочернюю цепь включаются «неправильные» нуклеотиды, что может привести к нарушению ее структуры и свойств. Поэтому в клетке есть система репарации (исправления) ДНК. Эта система действует следующим образом: сначала специальный фермент опознает неправильно вставший нуклеотид, а затем другой фермент вырезает его из дочерней цепи ДНК. После этого ДНК-полимераза присоединяет верные нуклеотиды на этом участке.
Биосинтез белка
Информация о первичной структуре молекулы белка зашифрована в молекуле ДНК. Система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в иРНК называется генетическим кодом.
Свойства кода:
- триплетность — каждая аминокислота зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов. Эта последовательность называется триплетом или кодоном. Всего существует 64 триплета, из них 61 шифрует аминокислоты, еще 3 не кодируют ни одной аминокислоты;
- вырожденность (избыточность) — каждая аминокислота зашифрована несколькими кодонами (от 2 до 6). Исключение составляют метионин и триптофан — каждая из них кодируется одним триплетом;
- однозначность — каждый кодон шифрует только одну аминокислоту;
- между генами имеются «знаки препинания» (стоп-кодоны) — это три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), которые не кодируют аминокислоты. Эти триплеты находятся в конце каждого гена. Внутри гена «знаков препинания» нет;
- неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить в два разных кодона, расположенных рядом друг с другом. Например, есть последовательность иРНК: ЦАУАГГАЦЦ. Нуклеотид У входит только в состав триплета ЦАУ; следующий триплет — АГГ, а не УАГ.
- универсальность — генетический код одинаков у всех живых организмов Земли.
В биосинтезе белка различают три этапа — транскрипцию, посттранскрипционные процессы и трансляцию (рис. 4.26).
Рис. 4.26. Схема биосинтеза белка
Транскрипция — это процесс синтеза иРНК по матрице ДНК. У эукариот происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах, у прокариот — в цитоплазме. Двойная спираль ДНК состоит из матричной (некодирующей, антисмысловой) и нематричной (кодирующей, смысловой) цепей. Матричная цепь ДНК служит основой (матрицей) для синтеза иРНК. Кодирующая (нематричная) цепь ДНК по последовательности нуклеотидов совпадает с иРНК, с одним лишь отличием в нуклеотидах: в ДНК содержится тимин, в иРНК — урацил.
Транскрипция состоит из трех фаз:
- инициация — начало синтеза иРНК. Во время этой стадии фермент РНК-полимераза прикрепляется к промотору (это участок в начале гена) матричной цепи ДНК;
- элонгация — это синтез молекулы иРНК по правилу комплементарности;
- терминация — завершение синтеза иРНК и ее отделение от матричной цепи ДНК. В результате у эукариот образуется пре-иРНК, а у прокариот — зрелая
иРНК.
Посттранскрипционные процессы у эукариот. После образования пре-иРНК начинается созревание или процессинг иРНК. При этом из молекулы РНК удаляются интронные участки (не несущие информацию о структуре белка) с последующим соединением экзонных участков (этот процесс называют сплайсингом). Одновременно происходит кепирование и полиаденирование. Кепирование — это прикрепление к 5¢-концу молекулы иРНК одного или нескольких модифицированных нуклеотидов, что обеспечивает правильную установку уже зрелой иРНК в рибосоме. Полиаденирование — это присоединение к 3¢-концу иРНК нескольких десятков или сотен аденозиновых нуклеотидов. Этот процесс удлиняет время существования данной иРНК в клетке, позволяя уменьшить затраты ресурсов и энергии на ее синтез. После завершения этих процессов зрелая иРНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка (к рибосомам).
Трансляция — это синтез полипептидных цепей белков, выполняемый по матрице иРНК в рибосомах.
Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосомы с помощью тРНК (рис. 4.27). Фермент кодаза опознает тРНК и присоединяет к ней соответствующую аминокислоту (тратится энергия одной молекулы АТФ).
Рис. 4.27. Присоединение аминокислоты к тРНК
Биосинтез белка (рис. 4.28) начинается с того (у бактерий), что кодон АУГ, расположенный на первом месте в копии с каждого гена, занимает место на рибосоме в донорном участке и к нему присоединяется тРНК, несущая формилметионин (это измененная форма аминокислоты метионина). После завершения синтеза белка формилметионин отщепляется от полипептидной цепочки.
Рис. 4.28. Схема трансляции: а — рибосома нанизывается на иРНК; б — в рибосому приходят две тРНК с аминокислотами; в — между аминокислотами возникает пептидная связь; г — одна тРНК уходит в цитоплазму, а рибосома сдвигается по иРНК на один триплет; д — в рибосому приходится новая тРНК с аминокислотой. Формил-мет — формилметионин
На рибосоме имеются два участка для связывания двух молекул тРНК: донорный и акцепторный. В акцепторный участок поступает тРНК с аминокислотой и присоединяется к своему кодону иРНК. Аминокислота этой тРНК присоединяет к себе растущую цепь белка, между ними возникает пептидная связь. тРНК, к которой присоединен растущий белок, перемещается справа налево вместе с кодоном иРНК в донорный участок рибосомы. В освободившийся акцепторный участок приходит новая тРНК с аминокислотой, и все повторяется заново. Когда на рибосоме оказывается один из знаков препинания, ни одна из тРНК с аминокислотой не может занять акцепторный участок. Синтез белка завершается, и полипептидная цепь отрывается и покидает рибосому.
Если на одной иРНК одновременно находится несколько рибосом, то такую структуру называют полисомой. Полисома позволяет синтезировать большее количество молекул белка за меньшее время.
Клетки разных тканей организма синтезируют разные белки (так, амилаза синтезируется клетками слюнных желез; инсулин — клетками поджелудочной железы
и т. п.). При этом все клетки организма образовались из зиготы путем ее многократного деления митозом, т. е. имеют одинаковый генетический набор. Эти отличия связаны с тем, что в разных клетках транскрипции подвергаются разные участки ДНК, т. е. образуются разные иРНК, по которым и синтезируются белки. Таким образом, в каждой клетке реализуется только часть наследственной информации, а не вся информация целиком.
Строение гена
У эукариот ген состоит из регуляторной и структурной частей (рис. 4.29). Регуляторная зона лежит в начале гена и оказывает влияние на его активность. Также ее составной частью является промотор — это участок, с которым соединяется РНК-полимераза. За промотором находится структурная часть гена, которая и содержит информацию о первичной структуре белка. Чаще всего она состоит из экзонов (по-
Рис. 4.29. Строение гена эукариот
следовательность нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка) и интронов (не несут такую информацию). Именно из-за такого строения при транскрипции образуется пре-иРНК, которая затем подвергается процессингу (созреванию). За структурной частью гена расположен терминатор, при достижении которого РНК-полимеразой происходит завершение транскрипции. В регуляции генной
активности также принимают участие энхансеры и сайленсеры — участки ДНК, лежащие около структурного гена или довольно далеко от него. Энхансер связывается с особыми белками и повышает уровень транскрипции. Сайленсер также взаимодействует с белками и ослабляет или прекращает транскрипцию.
У прокариот гены чаще всего объединены в опероны — это функциональные единицы транскрипции (рис. 4.30). В начале оперона расположен регуляторный ген, далее находится промотор, затем — оператор (специальный участок, с которого начинается синтез иРНК) и только после него располагаются структурные гены.
В конце оперона также находится терминатор. В отличие от эукариот, у прокариот структурные гены содержат только кодирующие последовательности нуклеотидов, т. е. не обладают интрон-экзонной структурой.
Рис. 4.30. Строение оперона прокариот
Регуляции генной активности при синтезе отдельных белков на примере бактерий (схема Ф. Жакоба и Ж. Моно)
Если в питательной среде, где обитают бактерии, нет сахара, то в клетке бактерий нет ферментов, необходимых для его расщепления. Но через несколько секунд после добавления сахара в клетке синтезируются все необходимые ферменты.
Ферменты бактерий, участвующие в превращении сахара, закодированы в структурных генах одного оперона. Оперон — это группа генов, несущих информацию
о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Между структурными генами и промотором есть оператор, с которым взаимодействует специальный белок-репрессор, блокирующий синтез иРНК.
Когда в клетку попадает субстрат (в данном случае сахар), для расщепления которого нужны белки, закодированные в структурных генах данного оперона, одна
из молекул субстрата взаимодействует с репрессором. Репрессор отходит от оператора, и начинается синтез иРНК и образование соответствующих белков-ферментов. Как только сахар в клетке закончится, репрессор освобождается и возвращается на оператор, блокируя синтез иРНК.
Таким образом, этот механизм позволяет клетке не тратить ресурсы на синтез тех белков, которые не требуются ей в данный момент времени.
Биотехнология
Биотехнология — это наука, изучающая создание новых организмов, их частей или продуктов их жизнедеятельности с помощью разнообразных методов. Основными методами биотехнологии являются генная и клеточная инженерия.
Генная инженерия — это совокупность методов, позволяющих путем операций in vitro переносить генетическую информацию из одного организма в другой. В результате формируются генетически модифицированные организмы (ГМО). Получение ГМО проходит в несколько стадий:
- Рестрикция ДНК и выделение нужного гена. Для этого применяют специальные ферменты — рестриктазы. В настоящее время процесс полностью автоматизирован.
- Полученный ген вводят в вектор — это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК. Чаще всего в качестве вектора используют плазмиды или генетический материал вирусов.
- Вектор с необходимым геном переносят в отдельные клетки модифицируемого организма. Если перенос был успешен, то при размножении образуются клетки, синтезирующие необходимый белок, благодаря которому организм (бактерия, грибы, растение или животное) приобретает нужный человеку признак. Растения или животные, имеющие в своем геноме чужеродный ген[1], называют трансгенными.
Клеточная инженерия — это создание клеток с новыми свойствами с помощью специальных методов. Новые клетки создаются из отдельных фрагментов разных клеток или объединением целых клеток, принадлежащих разным видам организмов. При этом образуется клетка, обладающая признаками нескольких исходных организмов, чьи клетки были использованы для ее создания.
Выращивание клеток растений или животных на искусственных средах in vitro называют методом культуры тканей. В случае растений, сначала в специальную культуральную среду помещают кусочек ткани, клетки которой дедифференцируются, делятся и растут, образуя так называемый каллус, или каллусную ткань. Изменяя состав среды, включая в нее разные растительные гормоны, из каллуса можно получать новые растения.
К основным задачам биотехнологии можно отнести следующие:
- синтез разнообразных биологически активных веществ (гормонов, ферментов ит. д.). Например, существенную часть инсулина, соматотропина и интерферонов получают с помощью генной инженерии;
- получение новых сортов растений и пород животных, более плодовитых и устойчивых к неблагоприятным воздействиям;
- производство кормового белка;
- получение энергии: некоторые бактерии способны разлагать органику с образованием биогаза— смеси углекислого газа и метана;
- борьба с загрязнением окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и т. д.);
- разработка и получение вакцин и других медицинских препаратов, использование в диагностике различных заболеваний.
[1] Ген, внедренный в геном другого организма, называют трансгеном.