13. Реализация наследственной информации в клетке

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы РНК на одной из цепей ДНК. Эта цепь называется матричной: её последовательность определяет порядок нуклеотидов в РНК по принципу комплементарности, причём напротив аденина ДНК в РНК встаёт урацил. Благодаря транскрипции информация гена становится доступной для дальнейшего синтеза белка.

Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов иРНК и аминокислотами. Код триплетный: значение имеет группа из трёх нуклеотидов; он однозначный, потому что конкретный триплет задаёт только одну аминокислоту или сигнал. Код вырожденный: одну аминокислоту могут обозначать разные триплеты, что важно учитывать при оценке замен нуклеотидов.

Кодон — три последовательных нуклеотида иРНК, задающих аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза белка. Рибосома считывает иРНК именно такими группами, а не по отдельным буквам. Поэтому изменение нуклеотида может повлиять на значение целого кодона.

Трансляция — синтез белка на рибосоме по последовательности кодонов иРНК с участием тРНК. Каждая тРНК распознаёт кодон комплементарным антикодоном и приносит соответствующую аминокислоту. Так запись нуклеотидов преобразуется в последовательность аминокислот.

Как это устроено

ДНК остаётся местом хранения наследственной информации, а рибосома собирает белок в другом месте клетки. Поэтому между геном и рибосомой нужен переносчик — иРНК, или информационная РНК. Сначала с участка гена считывается последовательность нуклеотидов, затем её копия направляется к месту синтеза белка. Посредничество иРНК позволяет использовать инструкцию, не перемещая саму ДНК.

Транскрипцию выполняет фермент РНК-полимераза. Она временно раскрывает участок ДНК и использует одну цепь как матрицу, потому что именно её последовательность задаёт порядок оснований в новой молекуле. Нуклеотиды РНК присоединяются комплементарно: напротив А в ДНК ставится У, напротив Т — А, а пары Г—Ц и Ц—Г сохраняются. В результате образуется РНК-копия информации, причём у РНК нет тимина — его место занимает урацил.

У эукариот первичная РНК часто содержит участки, которые не должны попасть в окончательную инструкцию для рибосомы. При созревании интроны удаляются, а экзоны соединяются в нужном порядке. На концах молекулы также формируются защитные участки: они помогают РНК сохраняться и участвуют в её использовании клеткой. После такой обработки зрелая иРНК может покинуть ядро и попасть в цитоплазму.

На рибосоме информация иРНК переводится в последовательность аминокислот. Рибосома последовательно распознаёт кодоны, а тРНК с подходящими антикодонами связываются с ними и доставляют аминокислоты. Рибосома соединяет принесённые аминокислоты в цепь; соответствие кодона и аминокислоты задаёт генетический код. Так тРНК служат посредниками между языком нуклеотидов и языком белка.

Трансляция начинается со стартового кодона, который задаёт точку начала и рамку чтения: далее нуклеотиды объединяются в триплеты без сдвигов. Когда рибосома достигает стоп-кодона, сборка цепи прекращается. Поэтому порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке, а значит, его первичную структуру. Ошибка в начале чтения может изменить прочтение многих последующих триплетов.

Сравнение транскрипции и трансляции

Таблица помогает увидеть, что транскрипция и трансляция используют разные матрицы и дают разные продукты. При решении задач сначала определите, какой процесс требуется выполнить, а затем выберите его участников и правила. У эукариот пространственное разделение этих процессов связано с тем, что ДНК находится в ядре, а рибосомы — в цитоплазме.

Разбор задач

Задача 1. Дана матричная цепь ДНК: ТАЦ-ГГА-ЦТТ. Запишите соответствующий фрагмент иРНК. Нужно составить комплементарную последовательность и помнить, что в РНК используется урацил, а не тимин. Каждому нуклеотиду матрицы соответствует один нуклеотид РНК.

1. Для Т матричной цепи подбираем А в РНК, а для А — У.
2. Триплет ТАЦ даёт АУГ, потому что пары Т—А, А—У и Ц—Г.
3. Для ГГА получаем ЦЦУ, затем для ЦТТ — ГАА.

Ответ: фрагмент иРНК — АУГ-ЦЦУ-ГАА. Проверка: в каждой позиции основания комплементарны, а буквы Т в записи РНК нет.

Задача 2. Фрагмент иРНК имеет последовательность АУГ-ГЦУ-УУУ-УГА. Определите последовательность аминокислот по таблице генетического кода. Считывать нужно именно иРНК, двигаясь от начала и разделяя её на уже указанные триплеты. Стоп-кодон не обозначает аминокислоту, а завершает трансляцию.

1. Первый кодон АУГ соответствует метионину и служит стартовым.
2. Кодон ГЦУ соответствует аланину, а УУУ — фенилаланину.
3. УГА — стоп-кодон, поэтому после него цепь не продолжается.

Ответ: метионин—аланин—фенилаланин. Стоп-сигнал в белковую цепь не включается; при необходимости название аминокислоты для каждого кодона проверяют по таблице генетического кода.

Задача 3. В кодирующей цепи ДНК заменился один нуклеотид. Нужно определить возможное влияние на белок, если новый кодон иРНК стал синонимичным, кодоном другой аминокислоты или стоп-кодоном. Поскольку дана кодирующая цепь, её последовательность соответствует иРНК, кроме замены Т на У. Сначала следует установить изменённый кодон, а затем сравнить его значение с исходным.

1. Если новый кодон синонимичный, он обозначает ту же аминокислоту благодаря вырожденности кода, поэтому последовательность белка может не измениться.
2. Если кодон задаёт другую аминокислоту, в соответствующей позиции белка произойдёт замена.
3. Если образовался стоп-кодон, трансляция прекратится раньше и белковая цепь окажется укороченной.

Ответ: возможны отсутствие изменения аминокислотной последовательности, замена одной аминокислоты или преждевременное завершение синтеза. Сам факт замены нуклеотида ещё не позволяет выбрать один исход: нужно перевести новый кодон по таблице генетического кода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при транскрипции РНК строится по обеим цепям ДНК. Для конкретного гена матрицей служит только одна цепь, иначе получится неверное представление о копируемой инструкции. Такую ошибку допускают, потому что молекула ДНК состоит из двух цепей. Проверка: в условии найдите, какая цепь названа матричной, и подбирайте РНК только к ней.

Ошибка — записывать в РНК тимин или подбирать основания без комплементарности. Урацил заменяет тимин, а последовательность РНК определяется матричной цепью, а не совпадает с ней буквально. Это путают из-за сходства обозначений ДНК и РНК. Проверка: пройдите по каждой позиции отдельно и используйте пары Т—А, А—У, Г—Ц и Ц—Г.

Ошибка — читать иРНК по одному или по два нуклеотида. Генетический код триплетный, поэтому последовательность делят на кодоны по три основания подряд. Путаница возникает, если не отметить старт чтения или сдвинуть границы триплетов. Проверка: пронумеруйте нуклеотиды от начала рамки чтения и убедитесь, что каждый кодон содержит ровно три буквы.

Ошибка — путать кодон иРНК с антикодоном тРНК. Кодон входит в иРНК и задаёт аминокислоту или сигнал, а антикодон находится в тРНК и комплементарно распознаёт кодон. Их называют сходными словами, поэтому легко перепутать, какая молекула несёт инструкцию. Проверка: отметьте, где дана иРНК, и только после этого подбирайте к её кодону антикодон тРНК.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в реализации наследственной информации, нужно знать строение ДНК и РНК, различия между ними и принцип комплементарности нуклеотидов. Тема также опирается на понятие гена: последовательность нуклеотидов связана с наследственными признаками через белки. Позже эти знания помогут понять, как мутации меняют продукты генов, как регулируется их работа и почему возникают некоторые наследственные заболевания.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию, а иРНК переносит её к рибосоме.
• При транскрипции РНК синтезируется на матричной цепи ДНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• При трансляции рибосома считывает иРНК по три нуклеотида.
• Три нуклеотида кодона соответствуют аминокислоте или сигналу начала либо завершения синтеза.
• тРНК доставляет аминокислоты и распознаёт кодоны с помощью антикодона.