§ 16. Пластический обмен в клетке. Биосинтез белка в клетке. Генетический код

Определения и обозначения

Пластический обмен — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых, происходящих с затратой энергии. Так клетка создаёт молекулы и структуры, необходимые для её работы и роста. Этим обмен отличается от процессов распада, при которых сложные вещества разрушаются.

Биосинтез белка — образование белковой молекулы на основе генетической информации клетки. Информация задаёт порядок аминокислот, а получившаяся цепь затем приобретает форму и выполняет определённую функцию. Поэтому биосинтез связывает работу генов с признаками и процессами в клетке.

Генетический код — способ записи информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов. Он позволяет клетке переводить «язык» нуклеотидов в «язык» белка. Единицей такого кода служит кодон — группа из трёх нуклеотидов иРНК.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома сопоставляет каждый кодон с аминокислотой, которую приносит тРНК. Так запись на иРНК превращается в последовательность звеньев белка.

Как это устроено

Реакции пластического обмена нужны для обновления и роста клетки: из небольших исходных молекул она строит более крупные и сложные. Для этого требуются исходные вещества и энергия, поскольку образование химических связей не происходит само собой. При синтезе белков клетка использует аминокислоты, а затраты энергии обеспечивают последовательное соединение этих молекул и работу участников процесса.

Порядок аминокислот будущего белка задаётся геном — участком ДНК с соответствующей информацией. ДНК обычно не участвует непосредственно в сборке белка: по матричной цепи сначала создаётся копия в виде иРНК. Этот этап называется транскрипцией. Копия помогает передать инструкцию к рибосоме, сохраняя саму ДНК в клетке.

иРНК служит посредником: она переносит последовательность кодонов от ДНК к рибосоме, где происходит сборка белка. тРНК выполняет другую задачу — переносит определённую аминокислоту и связывается с подходящим кодоном с помощью своего антикодона. Комплементарность кодона и антикодона помогает рибосоме выбрать нужное звено цепи, а не случайную аминокислоту.

Во время трансляции рибосома движется вдоль иРНК и считывает её по три нуклеотида. К каждому распознанному кодону подходит тРНК с соответствующим антикодоном и приносит аминокислоту. Рибосома соединяет соседние аминокислоты пептидными связями, поэтому цепь постепенно удлиняется. Когда считывание доходит до стоп-кодона, сборка прекращается.

Генетический код триплетен: один кодон состоит из трёх нуклеотидов. Он однозначен, потому что каждый кодон соответствует одной аминокислоте или сигналу остановки, но вырожден, так как одну аминокислоту могут обозначать разные кодоны. Код почти универсален для организмов, что позволяет клеткам использовать общий принцип считывания. Старт-кодон задаёт начало трансляции, а стоп-кодоны её завершают.

Этапы биосинтеза белка

Таблица показывает, что синтез белка состоит из двух связанных этапов: сначала информация переписывается в РНК, затем по ней собирается цепь. При решении задач определяйте, какой этап описан, и проверяйте, какие молекулы участвуют в нём. У эукариот транскрипция происходит в ядре, а трансляция — на рибосомах.

Разбор задач

Задача 1. В молекуле иРНК 90 нуклеотидов кодирующей последовательности. Определите число кодонов в ней. Кодон состоит из трёх нуклеотидов, поэтому нужно выяснить, сколько полных троек помещается в данной последовательности. Предполагаем, что указано число нуклеотидов именно в рассматриваемой кодирующей последовательности.

1. Записываем общее число нуклеотидов: 90.
2. Делим его на три, так как один кодон включает три нуклеотида: 90 ÷ 3 = 30.
3. Проверяем, что остатка нет: последовательность целиком разделилась на триплеты.

Ответ: в последовательности 30 кодонов. Если среди них есть стоп-кодон, он тоже считается кодоном, хотя аминокислоту не обозначает.

Задача 2. По данной последовательности матричной цепи ДНК требуется записать комплементарную иРНК и определить аминокислотную последовательность. Конкретная последовательность в условии не приведена, поэтому рассмотрим порядок действий, который применяют к любым данным. Смысл решения — сначала получить правильную запись иРНК, а уже затем переводить её в аминокислоты.

1. Для каждого нуклеотида матричной ДНК подбираем комплементарный нуклеотид РНК: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г.
2. Записываем полученную иРНК в направлении, заданном условием, и разделяем её на триплеты, начиная с нужной стартовой позиции.
3. Находим каждый кодон в таблице генетического кода и записываем соответствующую аминокислоту; стоп-кодон отмечаем как завершение, а не как аминокислоту.

Ответ: аминокислотную последовательность устанавливают по таблице после транскрипции. Подставлять конкретные кодоны без исходной последовательности нельзя.

Задача 3. В одном кодоне иРНК произошла замена нуклеотида. Нужно определить, изменится ли аминокислота и может ли это повлиять на белок. Сам факт замены ответа не даёт: сравнивать надо исходный и изменённый кодоны, потому что генетический код вырожден.

1. Записываем исходный кодон и вариант после замены, не меняя границ триплета.
2. По таблице определяем, какую аминокислоту обозначает каждый кодон; если оба обозначают одну и ту же, замена синонимичная.
3. Если кодоны обозначают разные аминокислоты или один стал стоп-кодоном, оцениваем возможное изменение цепи: замена аминокислоты или досрочная остановка способны повлиять на белок.

Ответ: без самих кодонов нельзя решить, изменится ли аминокислота. Проверка по таблице покажет, является ли замена синонимичной или меняет смысл кодона.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что иРНК просто копирует кодирующую цепь ДНК без изменений. Это происходит из-за упрощённого представления о копировании, но при транскрипции матрицей служит другая, матричная цепь, а в РНК вместо тимина стоит урацил. Проверяйте, с какой цепью ДНК сравниваете иРНК, и используйте пары А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г.

Ошибка: путать кодон и антикодон. Их названия похожи, но кодон расположен на иРНК, а антикодон — на тРНК и комплементарен ему. Чтобы проверить себя, укажите молекулу: если тройка записана на иРНК, это кодон; если на тРНК — антикодон.

Ошибка: думать, что одной аминокислоте соответствует только один кодон. Так можно решить, если перепутать однозначность кода с вырожденностью: однозначен каждый отдельный кодон, но аминокислоту могут обозначать несколько кодонов. Сверьте несколько триплетов в таблице генетического кода — одинаковая аминокислота у разных кодонов подтвердит вырожденность.

Ошибка: включать стоп-кодон в перечень аминокислот. Его принимают за очередное звено, потому что он записан таким же триплетом на иРНК, однако он подаёт сигнал завершения трансляции. При переводе последовательности остановитесь на стоп-кодоне и не приписывайте ему аминокислоту.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, нуклеотидах, принципе комплементарности и органоидах клетки. Эти понятия объясняют, как образуется иРНК и где рибосома собирает белок. Тема связана с наследственностью и работой генов, а также пригодится при изучении мутаций и регуляции активности генов. Изменение последовательности ДНК может изменить кодон и повлиять на белок, что помогает объяснять некоторые наследственные заболевания.

Что запомнить

• Пластический обмен включает синтез веществ и требует затрат энергии.
• Информация о первичной структуре белка записана в последовательности нуклеотидов ДНК.
• При транскрипции по матричной цепи ДНК образуется иРНК.
• При трансляции рибосома считывает иРНК по три нуклеотида — кодонами.
• Транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосоме.
• Генетический код триплетен, однозначен и вырожден.
• Стоп-кодоны завершают трансляцию и не обозначают аминокислоты.