§ 17. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. Нуклеотиды подбираются по принципу комплементарности: А в ДНК соответствует У в РНК, а Т — А; Г соответствует Ц, Ц — Г. Благодаря этому запись ДНК точно копируется в форму, пригодную для дальнейшего использования.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома последовательно распознаёт триплеты, а тРНК приносит соответствующие аминокислоты. Так информация, записанная в нуклеотидах, превращается в последовательность аминокислот.

Генетический код — соответствие между триплетами нуклеотидов иРНК и аминокислотами. Он триплетный, потому что одна запись состоит из трёх нуклеотидов; однозначный, потому что каждый кодон задаёт только одну аминокислоту или сигнал; вырожденный, потому что одну аминокислоту могут обозначать разные кодоны. Код почти универсален: у большинства организмов соответствие кодонов и аминокислот одинаково.

Кодон — три последовательно расположенных нуклеотида иРНК, задающих аминокислоту или сигнал начала либо окончания трансляции. Например, АУГ обычно служит старт-кодоном, а УАА — стоп-кодоном. Распознавание кодонов позволяет рибосоме собирать аминокислоты в заданном порядке.

Как это устроено

Информация о строении белка записана в последовательности нуклеотидов участка ДНК — гена. Но рибосома собирает белок не по ДНК: для этого клетке нужна молекулярная копия записи — иРНК. Посредник позволяет доставить информацию к месту синтеза белка, сохраняя ДНК как постоянное хранилище наследственных сведений. Порядок нуклеотидов в гене в итоге определяет порядок аминокислот в белке.

Во время транскрипции фермент РНК-полимераза раскрывает участок ДНК и использует одну его цепь как матрицу. Она подбирает к нуклеотидам матрицы комплементарные нуклеотиды РНК, поэтому последовательность новой молекулы зависит от последовательности ДНК. В РНК вместо тимина находится урацил, так что напротив аденина ДНК в РНК встраивается У. Полученная иРНК несёт копию информации гена.

иРНК связывается с рибосомой и направляет сборку полипептида. Рибосома начинает считывание со старт-кодона, затем движется по молекуле по три нуклеотида за раз. Такое деление важно: смещение начала считывания изменило бы состав всех последующих триплетов. Когда рибосома достигает стоп-кодона, сигнализирующего об окончании, синтез прекращается.

Аминокислоты к рибосоме доставляет тРНК — транспортная РНК. У каждой такой молекулы есть участок антикодона, который комплементарно связывается с кодоном иРНК. Связавшись с нужным триплетом, тРНК помогает включить принесённую аминокислоту в растущую цепь. Так соответствие между кодоном и аминокислотой поддерживается на каждом шаге сборки.

Рибосома образует пептидные связи между соседними аминокислотами, поэтому полипептидная цепь постепенно удлиняется. После появления стоп-кодона цепь отделяется, а трансляция завершается. Синтезированная последовательность аминокислот затем приобретает определённую пространственную форму. Именно эта форма во многом определяет свойства и работу белка.

Этапы биосинтеза белка

Сравни этапы по тому, какая молекула служит матрицей и какой продукт получается: это помогает не путать транскрипцию с трансляцией. В таблице указаны места процессов у эукариот; у прокариот, у которых нет ядра, транскрипция происходит в цитоплазме. Проследи, как результат первого этапа — иРНК — становится матрицей для второго.

Разбор задач

Задача 1. В фрагменте кодирующей цепи ДНК записана последовательность АТГ–ГЦЦ–ТТА. Запишите соответствующие триплеты иРНК. Здесь дана именно кодирующая цепь, поэтому не нужно строить комплементарную последовательность к ней: достаточно учесть различие между ДНК и РНК.

1. Переписываем последовательность кодирующей цепи: АТГ–ГЦЦ–ТТА. Кодирующая цепь по записи соответствует иРНК, поэтому порядок нуклеотидов сохраняется. Это отличается от ситуации, когда в условии дана матричная цепь.

2. Заменяем каждый тимин Т на урацил У, потому что в молекуле РНК тимина нет. Остальные нуклеотиды оставляем без изменений. Получаем триплеты АУГ–ГЦЦ–УУА.

Ответ: АУГ–ГЦЦ–УУА.

Задача 2. Дана последовательность кодонов иРНК: АУГ–ГЦУ–УАА. Определите, сколько аминокислот включится в полипептид, и объясните роль последнего кодона. Сначала разделяем запись на триплеты, затем отличаем кодон, задающий аминокислоту, от сигнального кодона.

1. АУГ — старт-кодон, который задаёт начало считывания и обычно кодирует аминокислоту метионин. Следующий кодон, ГЦУ, также задаёт аминокислоту — аланин. Значит, до сигнала окончания рибосома включает две аминокислоты.

2. Последний триплет УАА — стоп-кодон. Он сообщает рибосоме, что трансляция должна завершиться, но сам аминокислоту не кодирует. Поэтому его не считают третьей аминокислотой полипептида.

Ответ: в цепь включатся две аминокислоты; УАА завершает трансляцию и не кодирует аминокислоту.

Задача 3. В кодирующей цепи ДНК произошла замена одного нуклеотида. Опишите, как проверить, изменится ли аминокислотная последовательность белка. Сам факт замены ещё не показывает, изменился ли белок: нужно проследить её влияние на кодон и его значение.

1. Определяем, какой триплет кодирующей цепи затронут заменой, и записываем соответствующий кодон иРНК. Для этого заменяем в кодирующей цепи Т на У, сохраняя остальные буквы. Если изменились границы триплетов или несколько нуклеотидов, проверяем все затронутые кодоны.

2. Сопоставляем исходный и изменённый кодоны с генетическим кодом. Если оба обозначают одну аминокислоту, её включение не изменится; это возможно из-за вырожденности кода. Если кодоны задают разные аминокислоты либо один из них стал стоп-кодоном, белок может измениться.

Ответ: сравнить аминокислоты, заданные исходным и изменённым кодонами иРНК; одинаковое значение кодонов означает, что замена не меняет эту аминокислоту.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что иРНК строится непосредственно по кодирующей цепи ДНК. Обычно так думают, потому что последовательность иРНК действительно похожа на кодирующую цепь, но матрицей при транскрипции служит другая, матричная цепь. Проверь себя: если в условии дана кодирующая цепь, замени Т на У; если матричная — подбери комплементарные нуклеотиды.

Ошибка — записывать тимин в последовательности иРНК. Причина часто в том, что исходная последовательность взята из ДНК и её переписывают без изменений. Проверь каждую букву: в РНК используются А, У, Г и Ц, а на месте тимина в соответствующей записи будет урацил.

Ошибка — считать, что каждый кодон обозначает аминокислоту. Это кажется логичным, если воспринимать всю последовательность как цепочку обозначений аминокислот, но старт- и стоп-кодоны выполняют сигнальные функции. Проверь кодоны по генетическому коду: стоп-кодон завершает трансляцию и не добавляет аминокислоту.

Ошибка — полагать, что любая замена нуклеотида обязательно изменит белок. Такое предположение не учитывает, что разные кодоны могут задавать одну аминокислоту. Проверь исходный и новый кодоны по генетическому коду и сравни их значения: одинаковая аминокислота означает, что замена не изменила её в этой позиции.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, различиях между ними и комплементарности нуклеотидов. Эта тема показывает связь между геном и признаком: изменение последовательности ДНК может изменить белок, а значит, повлиять на его функцию. Транскрипция и трансляция пригодятся при изучении мутаций, регуляции работы генов и клеточного обмена веществ. Так молекулярные процессы помогают объяснить проявление наследственной информации в организме.

Что запомнить

• Биосинтез белка включает транскрипцию и трансляцию.
• При транскрипции матрицей служит одна цепь ДНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• При трансляции рибосома считывает иРНК триплетами.
• тРНК доставляет аминокислоты, а её антикодон связывается с кодоном иРНК.
• Стоп-кодон завершает трансляцию и не кодирует аминокислоту.