§ 16. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. Последовательность нуклеотидов гена переписывается в РНК по принципу комплементарности. Это первый шаг к использованию записи гена для создания белка.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома переводит запись из нуклеотидов в порядок аминокислот. Так информация, записанная в гене, становится частью молекулы белка.

Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов иРНК и аминокислотами. Код триплетный, потому что одна кодирующая единица состоит из трёх нуклеотидов; однозначный, потому что конкретный кодон задаёт одну аминокислоту или сигнал. Он вырожден, поскольку одну аминокислоту могут обозначать несколько разных кодонов.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, которая задаёт аминокислоту или сигнал начала либо завершения трансляции. Кодоны читаются последовательно, без пропуска нуклеотидов внутри рамки считывания. Их сопоставление с аминокислотами позволяет понять, какую цепь соберёт рибосома.

Как это устроено

Информация о первичной структуре белка хранится в гене — участке ДНК с определённой последовательностью нуклеотидов. Однако белок собирается не на ДНК, а на рибосоме, поэтому между геном и рибосомой нужен переносчик записи. Эту роль выполняет иРНК: она позволяет использовать сведения о нужном гене, не перемещая саму ДНК. Порядок нуклеотидов в этой копии в итоге определяет порядок аминокислот.

При транскрипции фермент РНК-полимераза связывается с участком ДНК и использует одну цепь конкретного гена как матрицу. Она подбирает к её нуклеотидам комплементарные нуклеотиды РНК, поэтому последовательности матричной ДНК и РНК не совпадают. В РНК нет тимина: его место занимает урацил, который соответствует аденину. Вторая цепь ДНК при копировании этого гена матрицей не служит.

У эукариот полученная первичная РНК ещё не готова к работе на рибосоме. В ней есть интроны — участки, которые удаляются, и экзоны, которые остаются в зрелой молекуле. При обработке интроны вырезаются, а экзоны соединяются в нужной последовательности. Зрелая иРНК выходит из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы.

На рибосоме иРНК считывается по три нуклеотида за раз, то есть кодонами. Каждому кодону соответствует тРНК с подходящим антикодоном; она доставляет к рибосоме определённую аминокислоту. Рибосома выстраивает аминокислоты в порядке кодонов и соединяет их пептидными связями. Так растёт полипептидная цепь, первичная структура будущего белка.

Трансляция начинается, когда рибосома распознаёт старт-кодон и начинает считывать иРНК в определённой рамке. Затем рибосома перемещается по молекуле, а цепь удлиняется по мере поступления новых аминокислот. При достижении стоп-кодона завершение считывания становится сигналом остановки: соответствующей аминокислоты он не задаёт. Полипептид отделяется от рибосомы и затем приобретает пространственную структуру.

Этапы биосинтеза белка

Таблица помогает проследить путь информации от ДНК к полипептиду и увидеть, как меняются участники процесса. Сначала появляется копия гена, затем у эукариот она проходит обработку, после чего используется на рибосоме. Для сравнения этапов обратите внимание на их место, результат и состав участников.

Разбор задач

1. Последовательность иРНК по кодирующей цепи ДНК

Условие: в участке кодирующей цепи ДНК записано АТГ–ГЦЦ–ТТА. Нужно записать соответствующую последовательность иРНК. Важно определить, какая именно цепь дана: кодирующая не является матрицей для РНК-полимеразы. Поэтому её последовательность совпадает с последовательностью иРНК, кроме замены тимина на урацил.

1. Переписываем триплеты в исходном порядке: АТГ–ГЦЦ–ТТА.
2. Во всех триплетах заменяем Т на У: АУГ–ГЦЦ–УУА.
3. Проверяем, что порядок нуклеотидов и разделение на триплеты сохранены.

Ответ: АУГ–ГЦЦ–УУА.

2. Аминокислоты по последовательности иРНК

Условие: фрагмент иРНК имеет вид АУГ–ГГУ–УЦУ–УАА. Требуется определить последовательность аминокислот и указать, где заканчивается трансляция. Считывать нужно именно иРНК и начинать с первого данного кодона. Для определения аминокислот используем таблицу генетического кода.

1. Проверяем, что запись разделена на кодоны по три нуклеотида: АУГ, ГГУ, УЦУ, УАА.
2. По таблице находим соответствия: АУГ задаёт метионин, ГГУ — глицин, УЦУ — серин.
3. УАА распознаём как стоп-кодон: он не задаёт аминокислоту и завершает трансляцию.

Ответ: метионин–глицин–серин; трансляция заканчивается на кодоне УАА.

3. Проверка последствий замены нуклеотида

Условие: в кодирующей цепи ДНК заменился один нуклеотид. Нужно выяснить, изменится ли аминокислота в белке. Сам факт мутации ещё не даёт ответа: изменение нужно проследить до кодона и сопоставить с генетическим кодом. Разные кодоны иногда задают одну и ту же аминокислоту.

1. Записываем исходный триплет кодирующей цепи и вариант после замены.
2. Для обоих вариантов получаем соответствующие кодоны иРНК, заменяя в кодирующей цепи Т на У.
3. Сравниваем кодоны по таблице генетического кода. Если они задают одну аминокислоту, её последовательность не меняется; если разные — аминокислота может измениться.

Ответ: сравните аминокислоты для исходного и изменённого кодонов. Замена не всегда меняет белок, потому что генетический код вырожден.

Типичные ошибки

Считать, что копируются обе цепи ДНК. Такое представление возникает из-за того, что молекула ДНК состоит из двух цепей. Но при транскрипции конкретного гена матрицей служит только одна из них. Чтобы проверить себя, уточните, какая цепь дана и для какого гена составляется РНК.

Писать в РНК тимин или забывать комплементарность. Ошибка появляется, когда последовательность ДНК механически переписывают в РНК. В РНК используют урацил, а при работе с матричной цепью нужно подбирать комплементарные основания. Проверьте тип исходной цепи и убедитесь, что в ответе нет Т.

Делить иРНК не на три нуклеотида. Иногда кодоны ошибочно читают парами или группами по четыре основания. Это нарушает соответствие между записью и аминокислотами, потому что генетический код триплетный. Проверьте, что каждый кодон содержит ровно три нуклеотида, а остатка в последовательности не появилось.

Путать кодон с антикодоном. Оба термина связаны с триплетами, поэтому их легко перепутать. Кодон расположен на иРНК, а комплементарный ему антикодон — на тРНК. При проверке назовите молекулу, на которой находится каждый триплет.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужно знать строение ДНК и РНК, комплементарность оснований и различия между этими молекулами. Эти знания помогают правильно переписывать последовательности и отличать матричную цепь от кодирующей. Без них нельзя надёжно определить кодоны иРНК.

Биосинтез связывает понятия гена и генетического кода с темами мутаций, наследственной информации и регуляции работы генов. Изменение последовательности ДНК может повлиять на иРНК и белок, хотя результат зависит от того, как изменился кодон. Регуляция работы генов определяет, когда клетка использует ту или иную запись.

Что запомнить

• Биосинтез белка включает транскрипцию и трансляцию.
• При транскрипции информация гена переписывается с ДНК на РНК.
• У эукариот зрелая иРНК образуется после обработки первичной РНК.
• При трансляции рибосома считывает иРНК по три нуклеотида.
• тРНК доставляет аминокислоты и распознаёт кодоны иРНК антикодоном.
• Старт- и стоп-кодоны задают начало и завершение трансляции.