Сказка о передаче информации в клетке

Представьте себе фабрику, выпускающую, ну, скажем, разнообразные кондитерские изделия. Много конвейеров, с одних один за другим сходят пирожки с повидлом, с других - торты " Птичье молоко", с третьих…….., и так далее. В центре завода - маленькая комната с большим числом дверей, а в ней - большая, можно сказать - огромная, поваренная книга. В комнату все время входят рабочие. Каждый такой рабочий некоторое время роется в книге, а затем выписывает из нее кулинарный рецепт-инструкцию, бросает его, снова роется в книге, выписывает следующий рецепт, и так далее. Готовые рецепты начинают беспорядочно плавать по комнате. Рано или поздно каждый рецепт выплывает наружу через дверь. Через несколько минут он доплывает до какого-нибудь конвейера, и этот конвейер начинает постепенно читать его, одновременно выполняя указанные в нем операции. Когда все операции выполнены, конвейер выгружает готовое блюдо, отпускает рецепт дальше плавать по фабрике, и захватывает какой-нибудь другой рецепт.

Время от времени оказывается, что фабрика достаточно разбогатела, чтобы приступить к созданию на ее основе двух дочерних предприятий. В какой-то момент в комнату начинают входить другие рабочие. Они постепенно переписывают книгу целиком, так что получается еще одна такая же книга. Однако в дверь книга не пролезает, поэтому перевозка одной из книг на новое место начинается с разборки комнаты на кирпичи. Затем из этих кирпичей заново собираются две новые комнаты. После этого все оборудование и персонал фабрики делятся приблизительно пополам между двумя новыми фабриками.

В ролях:

Передача информации о структуре нуклеиновых кислот и белков:

Синтез новых белков (трансляция)

Синтез - это соединение нескольких молекул в одну, более сложную, молекулу. Синтез белка - сборка его молекулы из молекул аминокислот. Молекулы большинства белков собираются клеткой из 150-300 аминокислот. Для того, чтобы в правильном порядке соединить друг с другом эти аминокислоты, она должна иметь " инструкцию" для сборки каждого белка. В этой роли в клетке выступают молекулы информационной, или матричной, РНК (кратко «иРНК» или «мРНК»).. Причем одной аминокислоте соответствует группа из трех нуклеотидов - кодон.

? Сколько разных кодонов по три нуклеотида можно составить из четырех нуклеотидов РНК?

? Какое максимальное число аминокислот можно было бы закодировать, если бы каждый кодон состоял из двух нуклеотидов? Из одного нуклеотида?

Синтезом белков занимаются рибосомы - очень сложные молекулярные " машины". Каждая рибосома состоит из двух неравных частей. Их называют большая и малая субъединицы. Всего в обеих субъединицах одной рибосомы примерно 80 молекул белков и 4 разных молекулы РНК (РНК, входящую в состав рибосом, называют рибосомальной, сокращенно рРНК). Новые субъединицы рибосом образуются в ядрышке. Оттуда они выходят в цитоплазму через ядерные поры.

Рис. 28

В цитоплазме обе субъединицы объединяются в целую рибосому на специальном стартовом участке любой молекулы информационной РНК. Далее рибосома постепенно " проползает" всю молекулу иРНК до тех пор, пока не наткнется на стоп-кодон (синоним – нонсенс-кодон) - сигнал прекращения синтеза белка (один из кодонов УАГ, УГА, УАА). При этом из нее " вылезает" готовая цепочка соединенных друг с другом аминокислот. Дойдя до сигнала прекращения синтеза, рибосома " сваливается" с молекулы иРНК, при этом большая и малая субъединицы отделяются друг от друга и от готового белка (рис. 28).

Рис. 29

Теперь подробнее о том, как это делается. Аминокислоты к работающей рибосоме приносят специальные молекулы - транспортные РНК (кратко тРНК, см. рис. 29). Различные тРНК отличаются друг от друга антикодонами - тройками нуклеотидов, расположенными в определенном месте молекулы. В животных клетках обычно обнаруживается 61 тип тРНК, причем тРНК каждого типа занимается переноской одной определенной аминокислоты (обратное неверно: некоторые аминокислоты переносятся 2-3 типами тРНК).

Рис. 30

Специальные белки - кодазы (синоним – аминоацил-тРНК-синтетазы) занимаются " подвешиванием" аминокислот к соответствующим тРНК. Каждый из них присоединяет к себе " свою" тРНК и " свою" аминокислоту (рис. 30), и затем соединяет их друг с другом.

? Как Вы думаете, сколько в клетке должно быть типов аминоацил-тРНК-синтетаз? Обсудите эту проблему с учителем.

Рис. 31

В большой субъединице рибосомы есть два углубления А и Б, удобных для " посадки" молекул тРНК (рис. 31). Любая проплывающая мимо тРНК с висящей на ней аминокислотой может сесть в свободное углубление Б. Однако " прилипнет" она только в том случае, если ее антикодон окажется комплементарен кодону иРНК, в данный момент расположенному под этим углублением.

Когда это произойдет, вся цепочка аминокислот, висящая на тРНК в углублении А, будет прикреплена к аминокислоте, " приехавшей" на новой тРНК. тРНК из углубления А, лишившись аминокислоты, уплывает в цитоплазму. После этого рибосома делает " шаг" длиной в три нуклеотида как бы " мимо" тРНК, прилипшей своим антикодоном к иРНК. В результате эта тРНК с висящей на ней цепочкой аминокислот оказывается в углублении А. А в освободившееся углубление Б садится новая тРНК с аминокислотой, и все повторяется сначала. Цепочка аминокислот по мере выхода из рибосомы сворачивается во вторичную и третичную структуры.

! Подробнее о реакции переноса цепочки аминокислот с одной молекулы тРНК на другую.

Рис. 32. Транспептидазная реакция

На рис. 32 показано, как это делается. По сути дела, между молекулами происходит обмен участками: атом водорода молекулы в А-участке рибосомы и цепочка аминокислотных остатков, висящая на тРНК в Б-участке, меняются местами.