§ 31. Процессы биосинтеза белка

Определения и обозначения

Генетический код — соответствие между триплетами нуклеотидов мРНК и аминокислотами. Он триплетен: значение имеет группа из трёх нуклеотидов; однозначен: один кодон задаёт только одну аминокислоту либо сигнал. Код вырожден, потому что одну аминокислоту могут обозначать несколько кодонов, и почти универсален — у большинства организмов правила совпадают, хотя известны исключения.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на одной из цепей ДНК. Фермент считывает эту цепь как матрицу, поэтому последовательность РНК строится по принципу комплементарности: напротив аденина ДНК в РНК встаёт урацил, напротив тимина — аденин. Так информация гена переносится в РНК для дальнейшего использования.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов мРНК. Рибосома считывает кодоны по порядку, а соответствующие аминокислоты соединяются в цепь. Порядок аминокислот определяет первичное строение белка.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов мРНК, которая задаёт аминокислоту или сигнал начала либо окончания трансляции. Кодоны читаются последовательно, без перекрытия, начиная с выбранной точки старта. Это позволяет рибосоме переводить запись мРНК в последовательность аминокислот.

Как это устроено

Информация о строении белка хранится в последовательности нуклеотидов гена, а не в готовых аминокислотах. Сначала клетка переписывает эту запись в РНК, потому что именно мРНК служит переносчиком информации к месту сборки белка. Затем последовательность её кодонов определяет порядок аминокислот в полипептиде.

При транскрипции РНК-полимераза связывается с участком ДНК и использует одну цепь гена как матрицу. Новые нуклеотиды РНК присоединяются комплементарно, поэтому порядок оснований матрицы задаёт порядок оснований продукта. У эукариот первичная РНК обрабатывается: интроны удаляются, а экзоны соединяются, чтобы в зрелой мРНК осталась рабочая последовательность.

Перед трансляцией аминокислоты связываются с соответствующими транспортными РНК. Каждая тРНК несёт аминокислоту и имеет антикодон — участок из трёх нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК. Такое распознавание помогает доставить к рибосоме именно ту аминокислоту, которая соответствует текущему кодону.

Трансляция начинается, когда рибосома распознаёт стартовый кодон и устанавливает рамку считывания. Затем она движется по мРНК от 5′-конца к 3′-концу, последовательно считывает кодоны и соединяет принесённые тРНК аминокислоты в полипептид. При достижении стоп-кодона сборка прекращается, и готовая цепь отделяется.

Биосинтез белка требует энергии и согласованной работы ДНК, разных видов РНК, рибосом и ферментов. Если меняется последовательность ДНК, могут измениться мРНК и кодон, а вслед за ним — состав белка. Однако эффект зависит от того, какой кодон возник: из-за вырожденности генетического кода некоторые замены не меняют аминокислоту.

Этапы биосинтеза белка

Сравните два этапа по месту, матрице и результату: это помогает не путать переписывание информации с её переводом в аминокислотную последовательность. В последней строке таблицы указано, по каким сигналам каждый этап начинается и завершается.

Разбор задач

1. Последовательность мРНК

Дана матричная цепь ДНК: 3′-ТАЦ ГГА ЦТТ АЦТ-5′. Нужно записать мРНК, образующуюся при транскрипции. Важно учитывать, что цепи антипараллельны: матрица записана от 3′ к 5′, а РНК строится от 5′ к 3′.

1. Сопоставляем основания по комплементарности: Т—А, А—У, Ц—Г, Г—Ц.
2. Применяем правила к каждому триплету: ТАЦ даёт АУГ, ГГА — ЦЦУ, ЦТТ — ГАА, АЦТ — УГА.
3. Проверяем направление: полученная РНК идёт от 5′ к 3′, а тимина в ней нет — на его месте используется урацил.

Ответ: 5′-АУГ ЦЦУ ГАА УГА-3′.

2. Перевод кодонов в аминокислоты

Для мРНК 5′-АУГ ГЦУ УУУ УГА-3′ определите последовательность аминокислот по таблице генетического кода. Нужно читать запись группами по три нуклеотида, поскольку именно триплет является кодоном. Стоп-кодон завершает перевод, но в полипептид не включается.

1. Разделяем последовательность: АУГ | ГЦУ | УУУ | УГА.
2. Сверяем кодоны с таблицей: АУГ задаёт метионин, ГЦУ — аланин, УУУ — фенилаланин.
3. УГА является стоп-кодоном, поэтому на нём трансляция заканчивается.

Ответ: метионин — аланин — фенилаланин.

3. Возможные последствия замены нуклеотида

В одном кодоне мРНК заменился нуклеотид. Такое изменение не всегда одинаково влияет на белок: результат зависит от того, какой новый кодон получился. Сравнивать нужно именно исходный и изменённый кодоны по таблице генетического кода.

1. Если новый кодон задаёт ту же аминокислоту, замена не отражается на последовательности белка; это молчащая мутация.
2. Если новый кодон задаёт другую аминокислоту, в белке заменяется один аминокислотный остаток; это миссенс-мутация.
3. Если вместо кодона аминокислоты возникает стоп-кодон, трансляция завершится раньше; это нонсенс-мутация, и полипептид окажется укороченным.

Ответ: возможны молчащая, миссенс- или нонсенс-мутация; чтобы определить исход, надо расшифровать изменённый кодон.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при транскрипции копируются обе цепи ДНК. Для конкретного гена матрицей служит одна цепь, иначе клетка получила бы не ту последовательность РНК. Это заблуждение возникает из-за того, что ДНК изображают сразу двумя цепями; проверяйте, какая из них обозначена как матричная.

Матричную цепь иногда путают с кодирующей. мРНК комплементарна матричной цепи и почти совпадает с кодирующей, но вместо тимина содержит урацил. Чтобы проверить запись, сначала определите, какая цепь дана, а затем сопоставьте каждое основание по правилам комплементарности и учтите направление.

Неверно называть кодоном триплет на тРНК, а антикодоном — триплет на мРНК. Эти названия относятся к разным молекулам: кодон располагается на мРНК, антикодон — на тРНК. Путаница появляется из-за того, что они взаимодействуют; проверка проста — спросите себя, какую молекулу считывает рибосома.

Стоп-кодон нельзя включать в последовательность аминокислот и нельзя считать кодирующим аминокислоту. Он сообщает рибосоме, что трансляцию пора завершить, поэтому соответствующего аминокислотного остатка в цепи нет. Чтобы не ошибиться, при расшифровке кодонов остановитесь на первом стоп-сигнале.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, нуклеотидах и принципе комплементарности. Также нужно различать функции мРНК, тРНК и рРНК: они участвуют в передаче и реализации генетической информации по-разному. Эти основы позволяют проследить, как запись в ДНК превращается в последовательность аминокислот.

Тема связывает понятия гена и хромосомы с мутациями. Ген содержит информацию о белке, а изменение его нуклеотидов может изменить кодон и повлиять на полипептид, хотя не каждая мутация меняет аминокислоту. Так можно объяснить возможную связь между изменениями генетического материала и признаками организма.

Понимание биосинтеза помогает изучать регуляцию работы генов: клетка может управлять тем, какие белки и когда производить. Это связано с клеточной специализацией, поскольку разные клетки используют разные наборы генов. Те же механизмы важны для биотехнологий, где клетки применяют для получения нужных веществ.

Что запомнить

• Последовательность нуклеотидов гена определяет последовательность мРНК.
• Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК.
• Трансляция — сборка полипептида на рибосоме по кодонам мРНК.
• Один кодон состоит из трёх нуклеотидов.
• тРНК доставляет аминокислоты и распознаёт кодоны мРНК антикодонами.
• Стартовый и стоп-кодоны задают начало и завершение трансляции.
• Из-за вырожденности генетического кода некоторые замены нуклеотидов не меняют аминокислоту.