42. СИНТЕЗ БЕЛКА В ОРГАНИЗМЕ

У читателя может возникнуть естественный вопрос, каким путем в организме синтезируются нужные белки? Следует отметить, что до самых последних лет этот вопрос оставался неясным. Лишь успехи, достигнутые за последнее время, позволили выяснить природу химических реакций, лежащих в основе отдельных стадий синтеза белка, а для некоторых реакций — изучить даже их механизм.

Основную роль в процессе выработки организмом необходимых ему белков в нужных количествахчвыполняют нуклеиновые кислоты, структура которых в основных чертах описана выше: (стр. 367).

Синтез белка осуществляется в клетках, состоящих из ядра и окружающей его цитоплазмы. Живую клетку сравнивают иногда с автоматически регулируемым химическим предприятием, вырабатывающим большой ассортимент различных веществ.

Как и на промышленном предприятии, в клетке установлен строгий порядок. В ней имеются различные «цехи», производящие необходимые полупродукты и продукты из поступающего сырья. Для этого клетка разделена полупроницаемыми перегородками на множество мельчайших отсеков. Каждый из химических процессов в клетке протекает в специально предназначенном для него отсеке и катализируется специфическим ферментом. Так, например, описанные выше окислительные реакции; в результате которых клетка получает необходимую энергию, происходят в митохондриях (небольших частицах цитоплазмы). Биосинтез белка не является в этом отношении исключением. Подготовительные стадии сложного процесса биосинтезу происходят в разных участках, клетки, а завершающая стадия «сборки» аминокислот на специальной матрице (шаблоне), обеспечивающей нужную их последовательность в белковой молекуле, осуществляется на поверхности мельчайших частиц цитоплазмы — рибосом. Для того чтобы эта завершающая стадия могла осуществиться, на. рибосоме должна находиться соответствующая матрица, обеспечивающая «сборку» нужного белка, а также к рибосоме должны постоянно доставляться необходимые аминокислоты. Каждая из стадий сложного процесса биосинтезу белка катализируется определенным ферментом.

Рис. 29. Схема расположения двух спиралей ДНК. Спиралеобразные полосы — цепи полинуклеотидов; перекладины — пары оснований, соединенные водородными связями; жирная линия — вертикальная ось молекулы.

Рассмотрим кратко вопрос о том, какие виды нуклеиновых кислот содержатся в клетке и какую роль в синтезе белка играет каждый из них. Молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) предназначены для хранения наследственной информации и передачи ее при делении клетки. Дезоксирибонуклеиновые кислоты характеризуются очень высоким молекулярным весом (до нескольких десятков миллионов) и существуют в форме двунитчатых спиралей, соединенных друг с другом водородными связями (рис. 29). ДНК всегда находится в ядре клетки и благодаря своему высокому молекулярному весу не может

проникнуть через оболочку ядра и попасть в цитоплазму. Содержащаяся в ДНК наследственная информация включает сведения о всех необходимых организму белках. Эта информация зашифрована последовательностью чередования четырех нуклеотидов аналогично тому, как информация, заключающаяся в какой-нибудь книге, зашифрована определенной последовательностью 32 букв алфавита.

Молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) синтезируются в ядре клетки, однако свои функции они осуществляют в цитоплазме. Имеются три вида РНК, отличающиеся друг от друга молекулярным весом и вторичной структурой. Все они имеют значительно более низкий молекулярный вес, чем ДНК, и поэтому могут проникать через оболочку ядра клетки.

Один из видов РНК (количество которого составляет приблизительно 5% от общего количества РНК) предназначен для переноса информации о структуре синтезируемого белка из ядра (от ДНК) к месту его синтеза, т. е. в рибосому, и носит соответственно название информационной РНК (и-РНК). Молекулы и-РНК служат в качестве матриц (шаблонов) при окончательной сборке белковой молекулы из аминокислот.

Второй вид РНК предназначен для доставки (транспортирования) аминокислот к рибосоме и называется соответственно транспортной РНК (т-РНК). Этот вид РНК характеризуется сравнительно небольшим молекулярным весом (15—20 тыс.), в связи с чем в отличие от других видов нуклеиновых кислот довольно хорошо растворим в воде. Количество т-РНК составляет приблизительно 25% от всего количества РНК.

Третий вид РНК, составляющий остальные 70% от общего количества РНК, входит в состав рибосом и носит название рибосомальной РНК (р-РНК). Она существует в организме в форме комплекса с белком.

Процесс образования белка начинается с синтеза молекулы и-РНК. При этом двунитчатая спираль, в форме которой находится ДНК в ядре, расплетается на соответствующем участке (гене), и молекула и-РНК отштамповывается на одной из нитей в однозначном соответствии с этим участком (геном). Если ДНК можно сравнить с книгой, в которой содержится вся информация, относящаяся к данному организму, то молекулу и-РНК можно сравнить с одной из содержащихся в ней фраз или с одним из слов, соответствующих одному из необходимых белков. Хотя механизм образования и-РНК на ДНК до конца еще не выяснен, однако хорошо известно, что последовательность чередования нуклеотидов в молекуле образующейся и-РНК однозначно соответствует последовательности чередования нуклеотидов гена ДНК. Таким способом информация,

содержащаяся в гене, переносится молекулой и-РНК из ядра в цитоплазму.

В цитоплазме молекула и-РНК укладывается на поверхность рибосом. Одновременно и независимо в цитоплазме происходит другой процесс, также имеющий важное значение для синтеза белка: молекулы т-РНК присоединяют свободные аминокислоты, активируют их и переносят к рибосомам. Каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белков, соответствует своя т-РНК, со всей специфической последовательностью чередования нуклеотидов. Нужные для данного белка аминокислоты, доставленные в рибосому молекулами т-РНК, устанавливаются в нужной последовательности при помощи молекулы и-РНК, играющей роль шаблона, после чего под действием специального фермента между ними образуются пептидные связи.

Выполнив свою функцию шаблона и отштамповав нужное число белковых молекул, молекула и-РНК распадается на свободные нуклеотиды, которые поступают в общий фонд клетки. Взамен их появляются новые молекулы и-РНК, которые используются в качестве шаблонов для «сборки» других белков. Этот постоянно протекающий в клетках процесс обеспечивает наработку необходимых для организма белков в соответствии с содержащейся в молекулах ДНК информацией, полученной ими по наследству от материнских клеток.

Нетрудно представить себе всю важность детального исследования описанных процессов, протекающих в живых организмах. Уже теперь в ряде случаев удается путем изменения структуры ДНК изменять наследственную информацию в простейших организмах. Этот путь направленного изменения наследственных признаков растений и животных является основной задачей современной науки о наследственности—генетики.

Успехи в изучении функций нуклеиновых кислот имеют большое значение для медицины. Еще совсем недавно мы мало знали, например, о таких возбудителях болезней, как; вирусы. В настоящее время установлено, что они представляют собой нечто среднее между химическим соединением и живыми организмами. Каждая вирусная частица не содержит ничего, кроме Нуклеиновой кислоты, соединенной с белком. Вирус обладает способностью освобождаться от молекулы белка, после чего его нуклеиновая кислота проникает внутрь животной или растительной клетки. Эта нуклеиновая кислота начинает активно синтезировать вирусный белок, подавляя синтез белков, необходимых клетке. В результате происходит резкое нарушение нормальной деятельности клеток—болезнь организма. Трудность борьбы с вирусными заболеваниями заключается в том, что чрезвычайно сложно прекратить деятельность нуклеиновой кислоты вируса внутри клетки, не нарушив деятельность

нуклеиновых кислот самой клетки. Подробное изучение всех стадий синтеза белка номожет найти радикальные средства борьбы со многими тяжелыми заболеваниями, вызываемыми - вирусной инфекцией.

Теперь перейдем к вопросу об источнике сырья, необходимого живому организму для построения белков, нуклеиновых кислот, углеводов и жиров. Таким источником является, как известно, пища. Большая часть пищевых продуктов, потребляемых человеком и другими млекопитающими, содержит (наряду с водой, минеральными солями, и витаминами) белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и жиры. Однако все они не могут быть непосредственно использованы организмом, так как по своему строению сильно отличаются от белков, нуклеиновых кислот, углеводов и жиров, необходимых клеткам. Поэтому в организме все эти вещества разлагаются под действием ферментов на составные части, из которых организм затем строит нужные ему соединения. Белки, например, разрушаются в желудке человека до аминокислот, из которых затем создаются новые, нужные организму белки.

Следует указать, что если в пище человека мало жиров, то организм может легко превратить углеводы в жиры. Если в пище отсутствуют и углеводы, то организм все же может выйти из положения, синтезировав жиры и углеводы из содержащихся в пище белков. Отсутствие же белков в пище ничем не может быть восполнено, так как аминокислоты не синтезируются организмом человека.

Некоторые из аминокислот, входящих в состав белков, могут быть образованы из других близких по строению аминокислот, но имеется 8 так называемых незаменимых аминокислот, которые не могут быть получены в организме из других аминокислот и обязательно должны содержаться в белках пищи. Белки, не содержащие достаточного количества незаменимых аминокислот, являются неполноценными. К незаменимым относятся следующие аминокислоты: триптофан, фенилаланин, треонин, метионин, лизин, валин, лейцин и изолейцин (стр. 195—196).

Изложенные здесь самые общие представления о важнейших химических процессах, протекающих в живых организмах, способствуют пониманию роли и механизма действия некоторых физиологически активных веществ.