"Биология (базовый уровень)", Беляев Д.К., Дымшиц Г.М., Кузнецова Л.Н. и др. / Под ред. Беляева Д.К., Дымшица Г.М.
Транскрипция — это синтез РНК по одной из цепей ДНК, а генетический код связывает последовательность нуклеотидов иРНК с последовательностью аминокислот в белке. РНК-полимераза копирует информацию с матричной цепи по принципу комплементарности, причём новая РНК растёт от 5′-конца к 3′-концу. При трансляции рибосома считывает иРНК тройками нуклеотидов — кодонами. Одни кодоны обозначают аминокислоты, другие служат сигналами начала или завершения сборки белка.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Транскрипция — синтез молекулы РНК на одной из цепей ДНК, служащей матрицей. Иначе говоря, клетка переносит последовательность генетической информации из ДНК в РНК. Это необходимо, чтобы использовать запись гена при последующем синтезе белка.
РНК-полимераза — фермент, который распознаёт участок ДНК и соединяет рибонуклеотиды в цепь РНК. Фермент не просто скрепляет отдельные части: он подбирает нуклеотиды, соответствующие матричной цепи. Благодаря этому последовательность РНК зависит от последовательности ДНК.
Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов и аминокислотами в белке. Триплет — это группа из трёх нуклеотидов, прочитанная как единое целое. Код позволяет клетке преобразовать последовательность иРНК в последовательность аминокислот.
Кодон — три последовательных нуклеотида иРНК, задающих аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза белка. Кодоны читаются рибосомой по порядку, без перестановки букв внутри триплета. Понимание кодонов нужно, чтобы определить, какой белок соответствует данной последовательности иРНК.
Транскрипция начинается, когда РНК-полимераза связывается с определённым участком ДНК. Такой участок помогает ферменту распознать место, откуда нужно начать копирование, и выбрать матричную цепь. Поскольку порядок нуклеотидов в матрице хранит информацию о гене, именно он задаёт порядок нуклеотидов будущей РНК.
При сборке РНК действует принцип комплементарности: каждому нуклеотиду матрицы соответствует определённый нуклеотид РНК. Напротив аденина ДНК встраивается урацил, а напротив тимина — аденин; гуанину соответствует цитозин, цитозину — гуанин. Тимина в РНК нет, поэтому в паре с аденином РНК используется урацил. Так последовательность матрицы копируется не буквальным повторением, а подбором подходящих пар.
РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК в направлении 3′→5′ и наращивает РНК в направлении 5′→3′. Направления противоположны, потому что нуклеотиды РНК присоединяются только к её растущему 3′-концу. Чтобы фермент мог считывать матрицу, цепи ДНК локально расходятся; остальная часть молекулы остаётся соединённой.
Когда копирование нужного участка завершается, готовая молекула РНК отделяется, а разошедшиеся цепи ДНК вновь соединяются. У эукариот РНК, только что синтезированная по ДНК, может быть первичной, то есть ещё не окончательно обработанной. После обработки она может стать зрелой иРНК, пригодной для считывания при синтезе белка. Такая подготовка нужна, чтобы клетка использовала подходящую форму РНК.
При трансляции рибосома читает иРНК не по одному нуклеотиду, а группами по три. Каждая такая группа — кодон: большинство кодонов обозначают аминокислоты, а отдельные кодоны служат сигналами начала или окончания синтеза белка. Поэтому изменение порядка нуклеотидов может изменить кодоны и повлиять на аминокислотную последовательность белка.
| Свойство | Смысл | Значение при считывании |
|---|---|---|
| Триплетность | Один кодон состоит из трёх нуклеотидов | Рибосома считывает иРНК по три нуклеотида |
| Однозначность | Каждый кодон соответствует одной аминокислоте или сигналу | Значение отдельного кодона не меняется |
| Вырожденность | Одну аминокислоту могут задавать несколько кодонов | Разные кодоны могут приводить к включению одной аминокислоты |
| Неперекрываемость | Каждый нуклеотид входит только в один считываемый кодон | Кодоны читаются последовательно, без общего нуклеотида |
| Почти универсальность | У большинства организмов кодоны имеют одинаковое значение | Значение кодона в основном сохраняется у разных организмов |
| Наличие сигналов | Старт- и стоп-кодоны задают начало и окончание трансляции | По сигналам рибосома начинает или завершает считывание |
Свойства удобно использовать вместе: сначала разделите иРНК на триплеты, затем определите значение каждого кодона и найдите сигналы начала или окончания. Однозначность описывает значение одного кодона, а вырожденность — возможность нескольких кодонов обозначать одну аминокислоту. При переводе в белок стоп-кодон не записывают как аминокислоту.
Задача 1. Для участка матричной цепи ДНК 3′-ТАЦГГА-5′ запишите последовательность иРНК. Важно сохранить направления: данная матрица уже записана в направлении, в котором её считывает РНК-полимераза. Подбирайте нуклеотид РНК к каждому нуклеотиду ДНК по отдельности.
Ответ: 5′-АУГЦЦУ-3′. Проверка: каждая буква РНК комплементарна соответствующей букве матрицы, а направление цепи РНК противоположно направлению записи матрицы.
Задача 2. Дана кодирующая цепь ДНК 5′-АТГГЦТТГА-3′. Запишите соответствующий участок иРНК и разделите его на кодоны. Здесь не нужно строить комплементарную последовательность, потому что дана кодирующая, а не матричная цепь. Сначала замените букву, отличающую ДНК от РНК, затем сгруппируйте нуклеотиды.
Ответ: иРНК 5′-АУГГЦУУГА-3′; кодоны — АУГ, ГЦУ, УГА. Каждый триплет включает ровно три нуклеотида, потому что генетический код считывается по триплетному принципу.
Задача 3. По таблице генетического кода определите последовательность аминокислот, закодированную фрагментом иРНК 5′-АУГГЦУУГА-3′. Переводить нужно именно кодоны иРНК, а не буквы ДНК. Сначала разбейте фрагмент на триплеты, потом найдите значение каждого из них в таблице.
Ответ: метионин — аланин, затем сигнал остановки. Стоп-кодон отмечает окончание синтеза и не включается в последовательность аминокислот.
Путают матричную и кодирующую цепи. Если дана матричная цепь, для иРНК нужно подобрать комплементарные нуклеотиды; если дана кодирующая, достаточно заменить Т на У. Путаница возникает потому, что обе цепи относятся к одному участку ДНК. Проверьте условие задачи и обозначение направления перед тем, как выписывать последовательность.
Не учитывают направление цепи. РНК-полимераза строит РНК в направлении 5′→3′, а матричную цепь считывает в направлении 3′→5′. Ошибка часто появляется, когда комплементарные буквы записывают в порядке, не совпадающем с требуемым направлением. Проверьте, чтобы направление матрицы и направление РНК были противоположны.
Смешивают однозначность и вырожденность кода. Вырожденность не означает, что один кодон может обозначать несколько аминокислот: она означает, что несколько разных кодонов могут задавать одну аминокислоту. Такое заблуждение возникает из-за сходного звучания слов «однозначность» и «вырожденность». Для самопроверки спросите: речь идёт об одном кодоне или о нескольких разных кодонах?
Принимают стоп-кодон за аминокислоту. Стоп-кодон сообщает рибосоме, что трансляцию нужно завершить, а не добавить очередную аминокислоту. Его ошибочно включают в белок, когда каждый триплет пытаются перевести в название аминокислоты. Проверьте таблицу генетического кода: стоп-сигнал обозначен отдельно и не соответствует аминокислоте.
Для понимания транскрипции нужны знания о строении ДНК и РНК, различиях между их нуклеотидами и принципе комплементарности. Особенно важно помнить, что в РНК вместо тимина используется урацил. Эти сведения позволяют правильно получить последовательность РНК по матрице.
Связь последовательности иРНК с аминокислотами изучают при разборе трансляции и биосинтеза белка. Транскрипция создаёт РНК-копию информации, а затем рибосома использует её кодоны для сборки белковой цепи. Так информация проходит путь от нуклеиновой кислоты к белку.
Генетический код помогает понять, как изменения последовательности ДНК могут повлиять на белок. Если изменение затрагивает участок, который копируется в иРНК, могут измениться кодоны и, возможно, аминокислотная последовательность. Такой разбор используют при изучении мутаций.
Почему при синтезе РНК вместо тимина используется урацил?
В РНК входит урацил, который при спаривании соответствует аденину, а не тимин. Поэтому напротив А в матричной ДНК при синтезе РНК встраивается У. Это различие помогает отличать РНК от ДНК.
Как определить последовательность иРНК по матричной цепи ДНК?
Запишите напротив каждого нуклеотида ДНК комплементарный нуклеотид РНК: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г. Укажите иРНК в направлении 5′→3′, а матричную цепь прочитайте в противоположном направлении — 3′→5′. Например, для матричной цепи 3′-ТАЦГГА-5′ получится 5′-АУГЦЦУ-3′.
Чем матричная цепь ДНК отличается от кодирующей?
Матричная цепь служит непосредственным образцом при транскрипции, поэтому иРНК комплементарна ей. Кодирующая цепь не копируется непосредственно: её последовательность совпадает с последовательностью иРНК, если заменить Т на У. Обе цепи входят в одну молекулу ДНК.
Почему генетический код называют вырожденным?
Вырожденность означает, что одну и ту же аминокислоту могут задавать несколько разных кодонов. При этом каждый отдельный кодон имеет только одно значение: он соответствует одной аминокислоте или сигналу. Это свойство не следует путать с неоднозначностью.
Что происходит, когда рибосома встречает стоп-кодон?
Стоп-кодон подаёт сигнал завершить трансляцию. Он не обозначает аминокислоту, поэтому к растущей белковой цепи ничего не добавляется. После этого синтез данного белка прекращается.
§ 16. Синтез РНК по матрице ДНК. Генетический код
