§26. Генетический код. Транскрипция. Синтез белков в клетке

Определения и обозначения

Генетический код — система соответствия между последовательностями нуклеотидов иРНК и аминокислотами белка. Три соседних нуклеотида иРНК образуют кодон, или триплет. Код нужен клетке как инструкция: по нему рибосома определяет, какую аминокислоту включить в растущую белковую цепь.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матричной цепи ДНК. Матричная цепь служит образцом, по которому подбираются комплементарные нуклеотиды РНК. Благодаря транскрипции информация гена становится доступной для дальнейшего использования при синтезе белка.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Транспортные РНК (тРНК) приносят аминокислоты и распознают кодоны с помощью антикодонов. Этот процесс нужен для перевода записи из нуклеотидов в последовательность аминокислот, из которой формируется белок.

Как это устроено

Генетический код читается не по одному нуклеотиду, а группами по три: четырёх видов нуклеотидов по отдельности недостаточно, чтобы закодировать все аминокислоты. Триплетов возможно 64, поэтому большинство аминокислот имеет несколько кодонов. При этом конкретный кодон означает только одну аминокислоту или сигнал остановки, что помогает рибосоме однозначно интерпретировать запись.

Код называют непрерывным и неперекрывающимся: рибосома читает иРНК подряд, начиная со стартовой точки, и каждый нуклеотид относится к одному кодону. Поэтому смещение начала чтения даже на один нуклеотид меняет группировку триплетов и может изменить всю последующую последовательность аминокислот. Старт-кодон обычно АУГ задаёт начало считывания, а один из стоп-кодонов — УАА, УАГ или УГА — завершает его.

При транскрипции фермент РНК-полимераза разделяет участки ДНК и строит РНК по матричной цепи. Нуклеотиды подбираются по комплементарности: напротив А ДНК в РНК встраивается У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. В результате иРНК несёт копию информации гена, но вместо тимина в ней присутствует урацил.

У эукариот транскрипция происходит в ядре, а синтез белка — на рибосомах в цитоплазме, поэтому иРНК переносит информацию между этими местами. Перед выходом из ядра её молекула обычно проходит созревание: удаляются некодирующие участки, а полезные для считывания части соединяются. Такое разделение позволяет клетке обрабатывать копию гена и регулировать, когда и сколько белка будет произведено.

Во время трансляции рибосома связывается с иРНК и движется по ней от кодона к кодону. Каждая подходящая тРНК распознаёт кодон антикодоном и приносит соответствующую аминокислоту; рибосома соединяет аминокислоты пептидными связями. Когда появляется стоп-кодон, подходящая тРНК не приносит аминокислоту, и синтез полипептида прекращается.

Этапы передачи информации

Используйте таблицу, чтобы не смешивать этапы: матрица ДНК нужна при транскрипции, а при трансляции рибосома считывает уже готовую иРНК. Для каждого этапа проверяйте, где он проходит и какой продукт образуется. Созревание иРНК показано отдельно, потому что оно происходит у эукариот между переписыванием гена и считыванием его рибосомой.

Разбор задач

Задача. Дана матричная цепь ДНК: ТАЦ ЦЦТ АЦА АТТ. Определите последовательность иРНК и аминокислоты, которые задают её кодоны. Будем считать, что в условии приведён именно участок матричной цепи, а не кодирующей, поэтому сначала необходимо получить комплементарную РНК.

1. Запишите правила комплементарности для транскрипции: Т ДНК соответствует А РНК, А — У, Ц — Г, Г — Ц. Такая замена нужна потому, что иРНК строится напротив матричной цепи, а в РНК вместо тимина используется урацил.
2. Замените нуклеотиды последовательно: ТАЦ даёт АУГ, ЦЦТ — ГГА, АЦА — УГУ, АТТ — УАА. Поэтому последовательность иРНК будет АУГ ГГА УГУ УАА. Сверьте длину: в иРНК должно быть столько же нуклеотидов, сколько в данном фрагменте ДНК.
3. Разделите иРНК на кодоны и найдите их значения по таблице генетического кода. АУГ кодирует метионин, ГГА — глицин, УГУ — цистеин, а УАА является стоп-кодоном. Стоп-кодон не включается в белковую цепь как аминокислота.
4. Запишите результат как цепочку аминокислот до сигнала завершения: метионин — глицин — цистеин. Проверьте, что кодоны считаны с начала иРНК без пропусков и что последний триплет интерпретирован как стоп-сигнал.

Ответ: иРНК — АУГ ГГА УГУ УАА; последовательность аминокислот — метионин — глицин — цистеин. УАА обозначает завершение трансляции, а не аминокислоту. Если бы в условии была дана кодирующая цепь ДНК, последовательность иРНК совпадала бы с ней, кроме замены Т на У.

Типичные ошибки

• Путать матричную и кодирующую цепи ДНК. Тогда иРНК записывают как комплементарную не той цепи или забывают заменить Т на У. Ошибка возникает из-за того, что в задачах не всегда уточняют, какая цепь дана. Проверьте формулировку: для матричной цепи подбирайте комплементарные основания, а для кодирующей замените только Т на У.

• Считать, что один кодон может обозначать разные аминокислоты. Код называют вырожденным, потому что разные кодоны могут соответствовать одной аминокислоте, а не потому, что один кодон имеет несколько значений. Проверяйте соответствие по таблице генетического кода: у каждого кодона есть одно значение.

• Принимать стоп-кодон за аминокислоту. УАА, УАГ и УГА прекращают трансляцию и не добавляют аминокислоту к цепи. Эту ошибку допускают, когда каждый триплет подряд записывают как аминокислоту. Сверьте последний кодон с таблицей и остановите запись цепи на сигнале завершения.

• Начинать считывание с произвольного места. Сдвиг рамки считывания меняет все триплеты после точки сдвига и, следовательно, возможный белок. Чтобы проверить себя, найдите старт-кодон и группируйте нуклеотиды по три без пропусков и наложений.

Связь с другими темами

Передача информации от ДНК к белку связывает молекулярное строение нуклеиновых кислот с работой клетки. Строение ДНК и правило комплементарности объясняют, как при транскрипции получается иРНК, а свойства белков зависят от порядка аминокислот в их цепях. Изменение последовательности нуклеотидов может заменить аминокислоту или изменить рамку считывания, поэтому тема связана с мутациями и наследственной изменчивостью. Работа рибосом и тРНК показывает, как информация генов участвует в обмене веществ и формировании признаков организма.

Что запомнить

• Генетический код сопоставляет кодоны иРНК с аминокислотами или сигналами начала и окончания синтеза.
• Кодон состоит из трёх нуклеотидов; код вырожден, но каждый кодон имеет только одно значение.
• При транскрипции РНК синтезируется на матричной цепи ДНК по принципу комплементарности; в РНК вместо тимина находится урацил.
• Трансляция идёт на рибосоме: иРНК задаёт порядок кодонов, а тРНК доставляют аминокислоты.
• Старт-кодон обычно АУГ, стоп-кодоны — УАА, УАГ и УГА; стоп-кодон не кодирует аминокислоту.
• Общая последовательность передачи информации: ДНК → иРНК → белок.