Хранение и использование информации - ЦИТОЛОГИЯ.РЕГУЛЯЦИЯ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

Постановка проблемы урока

Факт. Каждая клетка служит определённой задаче, у неё есть “смысл жизни” - функция. Как её осуществить - записано в “инструкции” ДНК.

• Что нам остаётся пока неясным? Сформулируйте основной вопрос урока. (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Какие связи придают линейному полимеру макромолекулы пространственную структуру? (8 класс)

• Вся ли макромолекула активна в своих взаимодействиях с другими молекулами? (8 класс)

• Приведите примеры самоорганизации макромолекул. (8 класс)

• Сколько сочетаний можно составить из двух букв? Все ли они будут словами? (Жизненный опыт)

Решение проблемы

Порядок в клетке

Клетка похожа на миниатюрный завод, владеющий автоматизированной нанотехнологией. Предположим, функция нашей клетки — производить некоторый белок на экспорт, на потребность всего организма. Для этого необходимы как минимум: изолированное пространство — “лаборатория”, “станки” для производства деталей, энергия, сырьё, “упаковка” для продукта, контролёр качества, транспорт, штат работников и “инструкция” по выполнению каждого действия. В целом всё сводится к сотням химических реакций, одновременно протекающих в клетке и точно скоординированных между собой. Для этого в клетке должен быть идеальный порядок, а для поддержания порядка нужна дополнительная энергия.

Она поставляется в виде единой “валюты” — АТФ — или извлекается в митохондриях из других веществ, чтобы зарядить разряженные молекулы АТФ. Все остальные “средства производства” и исполнители — это ферменты и другие белковые “автоматы”, работа которых аналогична действиям запрограммированных роботов.

Теперь рассмотрим, как выполняется главная функция клетки.

Ферменты - те самые “человечки”

Скорее, это роботы — специализированные автоматы. Ферменты — это молекулы белков, работающие как биологические катализаторы, в тысячи раз увеличивающие скорость химических реакций.

Чтобы крупные органические молекулы вступили в реакцию, им недостаточно простого контакта (рис. 7.1). Необходимо, чтобы функциональные группы этих молекул были обращены друг к другу и никакие другие молекулы не мешали их взаимодействию (1). Вероятность того, что молекулы сами сориентируются нужным образом, ничтожно мала. Фермент же присоединяет к себе обе молекулы в нужном положении, помогает им избавиться от водяной плёнки (2), поставляет энергию, убирает лишние части и освобождает готовый продукт реакции (3).

При этом сами ферменты, подобно другим химическим катализаторам, не изменяются в результате прошедших реакции химичес_Кую реакцию и выполняют свою работу снова и снова.

7.1. Фермент катализирует.

Ферментативные комплексы

Ферменты высоко специфичны: каждый отвечает за прохождение одной или немногих сходных реакций. Полученные продукты, как правило, сразу вступают в следующую реакцию. Для ускорения всего каскада реакций используются специальные механизмы. Один из них — это разделение внутреннего пространства клетки мембранами на небольшие отсеки, в которых сильно повышается концентрация реагирующих молекул и тем самым облегчается их встреча.

Скорость каскада реакций можно повысить и другим способом. Если собрать ферменты последовательных реакций и расположить их рядом в нужном порядке, получится “конвейер”, в котором продукт одной реакции переходит в зону активности следующего фермента и так далее. Такая последовательность ферментов называется мультиферментным комплексом. Практически все ферменты клетки вовлечены в подобные комплексы, поэтому можно сказать, что молекулы, попадающие в клетку, проходят по определённым путям, претерпевая последовательные изменения.

Регуляция биохимических процессов в клетке очень сложна, но один из основных ее принципов - отрицательная обратная связь (Рис. 7.2).

7.2. Отрицательная обратная связь в регуляции биохимических процессов.

Действие первого фермента может подавляться избытком продукта последней реакции. Процесс на некоторое время приостанавливается, что позволяет сохранить постоянство внутренней среды, необходимое для нормальной жизнедеятельности.

Другой путь регуляции — получение сигнала извне, от центральных органов управления.

Таким образом, автоматизм “роботов” понятен, но кто их создаёт и собирает в каждой клетке?

Как хранится “инструкция”

Вы знаете, что в молекулах ДНК (они находятся в цитоплазме прокариотической и в ядре эукариотической клеток) находится информация обо всём живом организме. Клетка использует лишь ту её малую толику, которая определяет действия клетки на данном этапе развития. Тем не менее вся информация бережно хранится и передаётся дочерним клеткам, которым могут понадобиться другие её части.

Люди хранят свои знания в книгах. Чтобы знания стали доступны многим, книги тиражируют, тем более если речь идёт об инструкциях. Так и в клетке: чтобы использовать информацию ДНК, её приходится копировать часто, а, чтобы её сохранить — надо копировать абсолютно точно. ДНК хорошо приспособлена к копированию благодаря тому, что в двойной спирали информация содержится в двух экземплярах (рис. 7.3).

7.3. Копирование - репликация - молекулы ДНК. При разделении ДНК на отдельные нити каждая нить с помощью ферментов достраивает на себе комплементарную пару.

• Вспомните, с какими основаниями соединяются аденин, гуанин, цитозин и тимин.

При этом каждая цепь собирает на себе комплементарные нуклеотиды, а фермент (ДНК-полимераза) связывает их в последовательность. Точность репликации ДНК настолько высока, что неверно присоединённые нуклеотиды встречаются не чаще чем один на 10 миллиардов (рис. 7.4)!

7.4. Восстановление недостающей цепи ДНК по комплементарной матрице.

7.5. Процесс последовательной репликации молекулы ДНК.

В результате на каждой из “расстёгнутых” цепей достраивается цепь, повторяющая всю последовательность нуклеотидов (рис. 7.5). Таким образом, исходная молекула ДНК даёт начало двум новым. Заметьте, что в новой молекуле только одна цепь “смонтирована” заново, а вторая перешла из исходной молекулы. Это уменьшает вероятность появления ошибок при дальнейшем копировании информации. Несмотря на то что ошибки (замена нуклеотидов) при репликации ДНК очень редки, они всё же случаются. Кроме того, иногда ДНК повреждается факторами внешней среды, например, ультрафиолетом или некоторыми химическими веществами. На этот случай в клетке существует набор ферментов, устраняющих ошибки. Процесс устранения ошибок называется репарацией.

Тем не менее отдельные ошибки устранить не удаётся. Нарушение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК порождает мутации.

Исполнение инструкции

Использование информации состоит из двух ключевых процессов: считывания с молекулы ДНК на молекулу РНК (транскрипция) и реализации этой информации в синтезе белков (трансляция). В клетках эукариот транскрипция идёт в ядре, а трансляция - вне ядра, в рибосомах (рис. 7.6).

7.6. Транскрипция и трансляция в биосинтезе белка.

Транскрипция - расшифровка кода

Считывание информации с молекулы ДНК происходит подобно процессу репликации, но с помощью других ферментов (рис.7.7). При этом раскрывается не вся ДНК, а только нужный участок. Сборка молекулы ведётся на одной цепочке, и на этот раз “приглашаются” РНК-нуклеотиды. Из них строится молекула информационной РНК (иРНК).

7.7. Синтез участка иРНК по матрице ДНК с помощью фермента (А) и последовательные этапы синтеза всей молекулы (Б).

• Чем отличается состав РНК от ДНК?

После окончания транскрипции нити ДНК опять сближаются, и доступ к информации закрывается. Молекула иРНК отделяется и покидает ядро. Эта молекула во много раз короче молекулы ДНК, так как представляет собой копию всего лишь одного гена. Так называется участок ДНК, в котором зашифровано строение одного белка. Код иРНК разбит на триплеты — сегменты из трёх нуклеотидов, играющие роль слов. Первый триплет в последовательности иРНК означает начало, последний - конец работы. В промежутке между ними каждый триплет соответствует определённой аминокислоте. Каждая из 20 аминокислот кодируется уникальной последовательностью из трёх нуклеотидов. Этот код един для всех живых организмов, что является самым общим из всех известных свидетельств в пользу единства всего живого.

Трансляция - перевод кода на язык аминокислот

Покинув ядро, иРНК направляется в цитоплазму, к рибосоме.

В окружении рибосомы содержится достаточное количество аминокислот и молекул транспортной РНК (тРНК), которые играют роль “переводчиков”. Молекула тРНК представляет собой цепочку нуклеотидов, сложенную в форме листка клевера.

7.8. Транспортная РНК.

“Черешок” тРНК предназначен для захвата определённой аминокислоты. На среднем “листке” тРНК находится антикодон — три нуклеотида, комплементарные тому триплету иРНК, который обозначает данную аминокислоту. При этом каждой аминокислоте соответствуют особые тРНК.

Рибосома - сборщик полипептидной цепи

Рибосома обеспечивает правильное взаимодействие иРНК с молекулами тРНК и выстраивание полипептидной цепи в точном соответствии с инструкцией, записанной на иРНК (рис. 7.9). При этом рибосома продвигается вдоль вытянутой молекулы иРНК. В каждый из шагов аминокислоту в строящуюся цепь белка отдаёт именно та тРНК, антикодон которой соответствует данному триплету иРНК. В результате этого процесса информация, записанная на нуклеиновой кислоте, переводится на язык белка. Полипептидная цепь освобождается и путём самосборки складывается в объёмную молекулу белка, готовую к работе.

7.9. Синтез первичной структуры белка по матрице иРНК на рибосоме.

Как правило, синтез молекулы одного белка происходит многократно, причём соединение молекулы иРНК со следующей рибосомой происходит, как только предыдущая продвинется и освободит достаточно места. Такие “бусы” из рибосом, нанизанных на иРНК, называют полисомами (рис. 7.10).

7.10. Полисома синтезирует молекулы белка.

Что регулирует работу клетки

Активность разных генов, то есть интенсивность использования их информации, неодинакова. Например, гены, кодирующие белки, необходимые для синтеза АТФ, активны всю жизнь. Другие гены работают только в те моменты, когда клетке нужны “зашифрованные” в них белки. Для поддержания определённого соотношения необходимых клетке белков и для его изменения, например, в процессе роста организма или в ответ на изменение условий окружающей среды, необходимы тонкие механизмы регуляции синтеза белков.

Описанный выше пример регуляции работы ферментативного комплекса помогает понять, как взаимодействие ДНК с остальной частью клетки регулирует её жизнедеятельность.

В присутствии вещества-регулятора (рис. 7.11) начинается считывание определённого участка ДНК. Производимый данным геном белок начинает длинную цепочку превращений веществ, проходящих через ферментативный комплекс. В конце концов вырабатывается вещество-регулятор, которое останавливает считывание или переводит его на другой участок. При этом именно информация ДНК определяет, какие вещества производить, а конечный продукт синтеза блокирует ДНК и приостанавливает весь процесс.

7.11. Взаимодействие информационной (ДНК) и исполнительной частей клетки.

Другой путь: ДНК блокируется веществом, появившимся в результате деятельности управляющих систем организма: нервной или гуморальной.

Конечно, в указанной цепи может быть большое количество посредников. Есть, например, целая группа белков-рецепторов, которые посылают управляющий сигнал в ответ на изменение внешней или внутренней среды.

Обобщение новых знаний

Все клеточные системы работают в автоматическом режиме. Функции клетки выполняются комплексом ферментов. Синтез ферментов происходит в рибосомах по “инструкциям” РНК. “Инструкции” считываются с активных участков ДНК. ДНК хранит и копирует информацию о работе всего организма. Активизация участков ДНК регулируется продуктами жизнедеятельности клетки и командами, поступающими извне.

Ферменты. Репликация. Транскрипция. Трансляция. Ген

Применение знаний

1. Какие условия необходимы для поддержания порядка в клетке?

2. Почему ферменты многократно ускоряют реакции?

3. Как происходит репликация ДНК?

4. Какие процессы обеспечивают синтез белка из аминокислот?

5. Как происходит регуляция работы клетки?

6. Для чего нужна постоянная репликация ДНК?

7. Какова роль иРНК и тРНК в синтезе белка?

8. Какое значение имеет вторая нить ДНК? Нельзя ли обойтись одной?

9. Есть ли процессы жизнедеятельности клетки, которые не регулируются самой клеткой?