Физиология растений

План построения белка зашифрован в ДНК и находится в ядре. Между тем  сам процесс осуществляется на рибосомах,  которые  в основном расположены в цитоплазме. Молекулы ДНК слишком велики и через поры ядра выйти не могут.    Передача   информации   от ДНК осуществляется с помощью информационной РНК   (и-РНК). Показано, что в определенные моменты жизни клетки двойная спираль ДНК раскручивается и на оголенной нити ДНК, как на матрице, строится молекула и-РНК. Процесс этот получил название транскрипции, т. е. переписывания. В результате процесса транскрипции образуется РНК комплементарная, т. е. соответственная той цепочке ДНК, на которой она строится. Так, если в молекуле ДНК имеется азотистое основание гуанин, то в РНК — цитозин, и наоборот. В ДНК комплементарной парой является аденин — тимин. Однако в составе РНК тимин заменяется урацилом. Поэтому если в молекуле ДНК имеется азотистое основание аденин, то в молекуле РНК напротив аденина будет урацил. In vitro обе цепочки ДНК могут служить матрицей для построения РНК. Вместе с тем in vivo (в клетке) молекула и-РНК может строиться только на одной из двух цепочек ДНК.

Образование РНК на ДНК-матрице идет с помощью специального фермента — ДНК зависимой РНК-полимеразы. ДНК зависимая РНК-полимераза выделена и из клеток высших растений, в частности из проростков гороха и кукурузы. РНК-полимераза как бы считывает генетическую информацию и переводит ее на язык РНК. и-РНК представляет собой относительно короткие цепочки. Эти цепочки соединяются с белком и в таком виде (информосомы) через поры ядра поступают в цитоплазму и переносят информацию для синтеза белка.

Затем и-РНК высвобождается из информосомы и одноцепочечная неспирализованная молекула прикрепляется к малой субъединице рибосомы, к тому ее участку, который примыкает к большой субъединице. При этом в каждый момент к рибосоме прикрепляется небольшой участок цепи и-РНК, содеряшций одщч кодон. Таким образом, первый этап синтеза белка заключается в образовании комплекса между   и-РНК и рибосомой.

Перенос аминокислот к рибосомам  осуществляется с помощью транспортных РНК (т-РНК). В состав белков входит 20 аминокислот, каждой аминокислоте соответствует своя т-РНК, которая имеет сравнительно низкую молекулярную массу (25—30 тыс.), состоит из 70— 80 нуклеотидов.

Благодаря определенному расположению комплементарных нуклеотидов полинуклеотидная цеаочка т-РНК свернута в виде клеверного листа (рис. 14). Каждая т-РНК имеет двойную специфичность. Она несет специфичный триплет (антикодон), ответственный за прикрепление к определенному месту и-РНК (кодону). Вместе с тем т-РНК специфична по отношению к ферментам (аминоацилсин-тетазам), ответственным за их взаимодействие с определенной аминокислотой. В свою очередь, аминоацилсинтетаза (или кодаза) также имеет двойную специфичность. Каждой аминоацилсинтетазе соответствуют своя т-РНК и своя аминокислота.

Для того чтобы аминокислота вошла  в состав полппептидной цепочки белка, нужна энергия. Активация, или обогащение энергией, аминокислоты (АК) происходит за счет ее реакции с АТФ: АК +АТФ = АК~АМФ + 2Ф_п. Реакция идет при участии фермента аминоацилсинтетазы. Образовавшийся аминоациладенилат остается связанным с ферментом и далее вступает в реакцию с т-РНК, при этом образуется аминоацил-т-РИК:

Таким образом, аминоацилсинтетазы осуществляют оба этапа активации аминокислот: взаимодействие аминокислоты с АТФ и затем ее перенос на молекулу т-РНК.

т-РНК с висящей на ней аминокислотой  с помощью антикодона присоединяется к кодону и-РНК па малой субъединице рибосомы (рис. 15).

После образования тройного комплекса  рибосомы и-РНК — т-РНК — АК начинается процесс трансляции, или  «перевода», ну-клеотидной последовательности молекулы РНК в последовательность аминокислот белковой молекулы. Синтез белка начинается с определенного триплета (кодона)—АУГ, которому соответствует определенная аминокислота (процесс инициации). Инициаторной аминокислотой на Eschrichia coli является формилметионин (ф-мет):

I 
СНз—SCH₂—СНд—СН —N— Н-СООН- Из-за       формилирования аминной группы эта аминокислота не может занимать место в середине полипептидной цепочки, а только в начале ее. т-РНК несет анти-кодон УАЦ. После того как шшциаторная аминокислота (АК1)ф_мет со своей т-PHKi вошла в малую субъединицу, происходит смыкание последней с большой субъединицей. После смыкания субъединиц т-PHKi вместе с AKi переносится на большую субъединицу. Одновременно и-РНК перемещается на один кодон. В результате в малую субъединицу входит следующий кодон, кодирующий другую аминокислоту — АКаа. К этому кодону с помощью антикодона присоединяется комплекс т-РНКг с АК_аа- В рибосоме оказываются две аминокислоты, ориентированные друг около друга таким образом, что карбоксильная группа первой аминокислоты (формилметионина) оказывается рядом с аминогруппой второй аминокислоты. В результате сближения этих    групп   карбоксил    формилметионина   отщепляется   от т-РНКф_мет и реагирует с аминогруппой второй аминокислоты, при этом образуется пептидная связь. Образовавшийся дипептид присоединен к т-РНК₂. Транспортная РЫКф__мет высвобождается и уходит в цитоплазму. В результате дипептид с соответствующей т-РНК₂ оказывается связанным с большой субъединицей, а и-РНК перемещается еще на один триплет. Присоединение аминокислотных остатков (элонгация) повторяется многократно, пока не образуется полипептидная цепочка (белок). Окончание образования полипептидиой цепочки (терминация) связано с тем, что в малую/субъединицу вступает бессмысленный кодон. Образовавшаяся полипептидная цепочка покидает рибосому. После завершения синтеза белка инициаторная аминокислота отщепляется с помощью специального фермента.

Показано, что цепочка и-РНК может  нести информацию о нескольких молекулах белка. Участок и-РНК, несущий информацию для одного белка, носит название цистрона. Таким образом, и-РНК может быть полицистронной. Большое значение имеет объединение рибосомы в цепочки — полисомы. В этом случае одна молекула и-РНК может последовательно присоединяться к ним и служить матрицей для синтеза нескольких одинаковых молекул белка. Когда синтез белка закончен, и-РНК распадается.

Поскольку синтез белковой молекулы идет с большой скоростью — от нескольких секунд до одной минуты, время жизни и-РНК очень невелико. Правда, на определенных фазах развития растений синтезируются так называемые долгоживущие молекулы и-РНК. Так, например, они имеются в семенах. При набухании и "прорастании семян новообразование белков-ферментов может идти с использованием этой иредобразованной и-РНК.

Таким образом, в жизни клетки важнейшее  значение имеет триада ДНК — РНК — белок. Надо сказать, что у ряда организмов (вирусы, некоторые бактерии) наследственную информацию несет РНК, а не ДНК. Наконец, есть вирусы, у которых имеется обратная последовательность: на молекуле РНК строится ДНК, которая переносит информацию. Процесс носит название обратной транскрипции.

Подводя итоги, можно сказать: из поколения  в поколение каждого организма  передаются специфические молекулы ДНК, которые несут в себе план построения белковых молекул. План построения белка записан в ДНК с помощью кода, представленного чередованием азотистых оснований. Участок ДНК, в котором закодирована информация для построения одного белка, носит название ген. Геном — это сочетание всех генов организма. ДНК в процессе эволюции может претерпевать случайные изменения. Среди этих изменений, которые передаются по наследству, могут возникать полезные, дающие организмам преимущество в борьбе за существование. Эти изменения сохраняются естественным отбором. Новые комбинации, новые сочетания генов, новый геном создается также в процессе скрещивания. Наследственная информация реализуется путем образования белков, специфичных для каялдого организма.

3. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ.

ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯЦИИ СИНТЕЗА БЕЛКА В  КЛЕТКЕ

В основе специфических свойств  каждой клетки, каждого организма, которые передаются по наследству, лежит специфика обмена веществ. Обмен веществ — это совокупность всех происходящих в организме химических процессов. Химические реакции, составляющие обмен веществ, тесно взаимосвязаны и согласованы друг с другом. Обмен веществ внутри клетки тесно взаимосвязан со средой. Из внешней среды поступают вещества, необходимые для жизнедеятельности организма, и определенные вещества выделяются организмом в среду. Условия среды (температура, влажность, освещение), в которых осуществляется жизнедеятельность организма, оказывают глубокое влияние на скорость и направленность обмена. Организм обладает способностью регулировать обмен веществ..

Даже поверхностное рассмотрение особенностей химических процессов в живой клетке позволяет заметить, что они протекают с огромной скоростью. И все они являются каталитическими и осуществляются благодаря присутствию биологических катализаторов — ферментов.

Для осуществления химических реакций  необходимо, чтобы молекулы были в активном состоянии. В самом общем виде катализаторы, повышая активность реагирующих молекул, как бы снижают силы химического сопротивления. Вместе с тем катализаторы не могут вызвать реакцию, которая в их отсутствии не идет, они ускоряют лишь реакции, которые термодинамически осуществимы. Многие ферменты ускоряют реакции в 10⁹—10" раз.

По химической природе все ферменты — простые или сложные белки. Ферменты, состоящие только из белка, называют однокомпо-нентными. Ферменты, состоящие из белка и небелковой части, — двухкомпонентными. Небелковый компонент, прочно связанный, называют простетической груцпой; слабо связанный, обслуживающий несколько ферментов, — коферментом. Часто кофермепт соединяется с соответствующим белком только в период реакции. Состав просте-тических групп или коферментов разнообразен. Во многих случаях это витамины или их производные, в частности производные витаминов В], В₂, Вб, никотиновой кислоты и др. В простетическую группу ряда ферментов входят металлы (железо, медь, цинк). Металлы могут входить в состав простетических групп в виде особых соединений, например железо в соединении с 4 пиррольными группировками (ге-миновое железо). Важнейшим свойством ферментов является их специфичность. Еще в 1911 г. крупный немецкий химик Эмиль Фишер выдвинул положение, что фермент должен подходить к субстрату, как «ключ к замку». Однако это положение оказывается справедливым не всегда. Во многих случаях пространственное соответствие молекулы фермента и субстрата возникает в процессе их взаимодействия. Ферменты — это не только катализаторы, но и регуляторы процессов обмена. В клетке содержатся сотни соединений и должны бы происходить бесчисленные реакции. Однако число реакций огра ничивается, поскольку специфичность ферментов позволяет различать определенные молекулы. Каждый организм имеет свой набор ферментов, обусловленный его наследственной основой.

Действие фермента проходит в несколько  стадий. Начальной стадией является образование комплекса фермента с субстратом. При этом между ферментом и субстратом возникают связи разного характера (водородные, ван-дер-ваальсовы и др.). Образование фермент-субстратного комплекса требует высокой специфичности фермента. Как правило, молекула субстрата очень мала по сравнению с молекулой фермента. Поэтому при образовании фермент-субстратного комплекса участвует лишь незначительная часть молекулы фермента, его активный центр. Активный центр — это совокупность функциональных групп, принимающих непосредственное участие в ферментативной реакции.

Образование фермент-субстратного комплекса  вызывает переход субстрата в  более реактивное состояние, его  активацию. Известно, что при любом  химическом взаимодействии вступают в  реакцию только те молекулы, которые обладают избытком энергии. Число столкновений между молекулами, приводящее к химическому взаимодействию (число эффективных столкновений), составляет лишь некоторую долю (иногда очень малую) общего числа столкновений. Эффективными оказываются лишь столкновения между молекулами, которые в этот момент обладают некоторым избытком внутренней энергии по сравнению со средней (для данной температуры) величиной. Энергия, которую необходимо придать молекулам вещества А для превращения их в В сверх той средней, которую молекулы А уже содержат, называют энергией активации. В самом общем виде фермент благодаря созданию фермент-субстратного комплекса проводит реакцию обходным путем и тем самым снижает энергию активации или снижает энергетический барьер (рис.16).

Можно привести следующие примеры. Энергия активации для процесса разложения сахарозы на моносахара составляет в отсутствии фермента 107 520 Дж/моль, а в присутствии фермента инвертазы — 38 480 Дж/моль. Энергия активации гидролиза белка с помощью кислоты составляет 840 000 кДж/моль, а при ферментном разложении — всего 5040 кДж/моль.

Повышение реакционной способности  молекул или снижение энергии  активации, по-видимому, для разных реакций проходит неодинаковыми путями. Точный механизм катализа для отдельных реакций до сих пор не ясен. Вероятно, существуют разные возможности. Прежде всего фермент может связывать субстрат в напряженной конфигурации. Так, если функциональные группы    фермента   расположены таким образом, что после связывания две _{Рис 17 Схематическая ил}_ части молекулы суострата Л— В удержи- люстрация напряжения ко-ваются несколько дальше друг от друга, валентной связи в фер-чем тогда, когда они находились в свободном состоянии, то в результате растяжепия связь в молекуле А—В легче поддается разрыву (эффект «дыбы»). Одновременно присоединяется молекула воды. Именно таким путем совершается ферментативный распад (гидролиз) многих органических соединений. Реакция может идти и в обратном направлении. В этом случае вещества А и В, присоединяясь к активному центру фермента, сближаются и молекула воды как бы выжимается, образуется соединение АВ (рис. 17). Приведенная схема является несколько упрощенной. В более общем виде можно сказать, что при образовании фермент-субстратных комплексов происходит определенная ориентация молекул: или сближение реагирующих молекул, или создание напряженных связей. Все это делает молекулы более реак-циониоспособными. Продукты реакции отделяются от фермента, и молекулы фермента регенерируют в прежнем виде. Именно благодаря этой последней особенности одна и та же молекула фермента может катализировать большой объем превращений. Таким образом, можно-отметить следующие три фазы действия фермента: 1) образование фермент-субстратного комплекса; 2) преобразование промежуточного соединения в один или несколько активных комплексов; 3) выделение продуктов реакции и регенерация молекулы фермента.