26. Генетический код. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Генетический код — система соответствия между последовательностью нуклеотидов и последовательностью аминокислот в белке. Он позволяет клетке прочитать информацию, записанную в гене, и использовать её для сборки белка. Код характеризуют триплетность, однозначность, вырожденность, почти универсальность, непрерывность и неперекрываемость.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов матричной РНК (мРНК), которая задаёт аминокислоту либо сигнал начала или окончания синтеза. Рибосома читает именно кодоны мРНК, поэтому при решении задач важно не смешивать последовательности РНК и ДНК. Каждый кодон занимает определённое место в порядке считывания.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Нуклеотиды РНК подбираются по принципу комплементарности: напротив А в ДНК встаёт У в РНК, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. Этот этап переносит информацию с ДНК на молекулу, которую затем может считывать рибосома.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов мРНК. Полипептид — цепь соединённых аминокислот, из которой формируется белок. Транспортные РНК приносят аминокислоты и распознают кодоны, помогая рибосоме выстроить их в нужном порядке.

Как это устроено

Информация о строении белка записана в последовательности нуклеотидов определённого участка ДНК — гена. При транскрипции одна из цепей ДНК служит матрицей: к её нуклеотидам по комплементарности присоединяются нуклеотиды РНК, и образуется мРНК. Так копируется не вся ДНК клетки, а нужный участок, поэтому информация может быть использована без изменения самой молекулы ДНК. Если в задаче дана кодирующая цепь, последовательность мРНК совпадает с ней, но Т заменяется на У; если дана матричная цепь, нужно записать комплементарную последовательность с учётом направления.

После образования мРНК она связывается с рибосомой. Рибосома движется вдоль неё и считывает нуклеотиды группами по три — кодонами, потому что именно триплет соответствует одному шагу перевода в аминокислотную последовательность. Генетический код задаёт, какая аминокислота соответствует каждому кодону, поэтому одна и та же последовательность при правильном считывании приводит к определённому порядку аминокислот. Начало отсчёта важно: сдвиг на один нуклеотид изменил бы состав всех следующих триплетов.

Связь между кодоном и аминокислотой обеспечивает транспортная РНК (тРНК). На одной её части находится антикодон — три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК; на другой закреплена определённая аминокислота. Когда антикодон подходит к кодону на рибосоме, тРНК приносит нужную аминокислоту. Благодаря такому распознаванию порядок кодонов превращается в порядок аминокислот, а не просто копируется в другую молекулу.

Рибосома соединяет принесённые аминокислоты в цепь по мере считывания мРНК. Обычно трансляция начинается со старт-кодона АУГ, который задаёт метионин и отмечает точку начала сборки. Когда рибосома доходит до стоп-кодона, соответствующей аминокислоты для него нет: этот кодон служит сигналом прекратить синтез и освободить готовую цепь. Поэтому стоп-кодон завершает последовательность, но не становится частью белка.

Свойства кода помогают объяснить точность и гибкость перевода. Триплетность означает, что кодон содержит три нуклеотида; однозначность — что конкретный кодон задаёт только одну аминокислоту или сигнал. Вырожденность означает, что одну аминокислоту могут задавать несколько кодонов, поэтому отдельная замена нуклеотида иногда не меняет аминокислоту. Код почти универсален у организмов, а его непрерывность и неперекрываемость означают, что триплеты читаются подряд, без пропусков и использования одного нуклеотида сразу в двух соседних кодонах.

Основные свойства генетического кода

Чтобы пользоваться таблицей генетического кода, сначала разделите последовательность мРНК на триплеты, начиная с правильного старт-кодона. Затем найдите каждый кодон и определите соответствующую аминокислоту или сигнал. Таблица показывает значение кодона, но сама по себе не сообщает, с какой цепи ДНК получена мРНК.

Разбор задач

Задача 1. По таблице генетического кода определите аминокислоту, соответствующую кодону матричной РНК АУГ. Также выясните, чем может быть важен этот кодон для начала синтеза. Сначала следует определить значение кодона как обозначения аминокислоты, а затем отдельно проверить его роль в трансляции.

1. Ищем триплет АУГ в таблице генетического кода.
2. Таблица показывает, что АУГ соответствует аминокислоте метионину.
3. Отдельно учитываем, что АУГ обычно служит старт-кодоном и указывает рибосоме место начала трансляции.

Ответ: АУГ кодирует метионин и обычно выступает старт-сигналом. Эти две роли связаны, но не тождественны: значение кодона — аминокислота, а его функция в начале считывания — запуск трансляции.

Задача 2. Для участка кодирующей цепи ДНК 5′-АТГ ГЦТ ТАА-3′ запишите мРНК и определите число аминокислот во фрагменте белка. Так как дана именно кодирующая цепь, не нужно получать комплементарную ей последовательность: мРНК совпадёт с ней, кроме замены Т на У. После этого нужно найти стоп-кодон.

1. Переписываем последовательность в том же направлении и заменяем Т на У: 5′-АУГ ГЦУ УАА-3′.
2. Проверяем деление на кодоны: АУГ, ГЦУ и УАА.
3. АУГ задаёт метионин, ГЦУ — аланин, а УАА является стоп-кодоном.
4. Стоп-кодон не задаёт аминокислоту и не включается в полипептид, поэтому считаем только первые два кодона.

Ответ: мРНК — 5′-АУГ ГЦУ УАА-3′; во фрагменте будет две аминокислоты. Если бы в условии была дана матричная цепь ДНК, мРНК пришлось бы строить по принципу комплементарности.

Задача 3. В кодоне мРНК ГАА заменили последний нуклеотид на Ц. Нужно определить, изменится ли аминокислота, и объяснить, почему некоторые замены не влияют на белок. Сравниваем исходный и изменённый кодоны отдельно: свойство вырожденности не означает, что любая замена обязательно нейтральна.

1. Записываем новый кодон: ГАА превращается в ГАЦ.
2. По таблице выясняем, что ГАА задаёт глутаминовую кислоту, а ГАЦ — аспарагиновую кислоту.
3. Аминокислоты различаются, значит, замена изменяет состав белка в этой позиции.
4. В других случаях два разных кодона могут задавать одну аминокислоту; тогда замена не изменит её в белке. Это возможно благодаря вырожденности генетического кода.

Ответ: в данном случае аминокислота изменится с глутаминовой кислоты на аспарагиновую. Одна замена может не повлиять на белок, если исходный и новый кодоны обозначают одну и ту же аминокислоту, но именно ГАА и ГАЦ этому условию не отвечают.

Типичные ошибки

Ошибка: считать кодон тремя нуклеотидами ДНК. Так думают, потому что наследственная информация хранится в ДНК, однако при трансляции рибосома считывает кодоны мРНК. Проверка: если речь идёт о кодоне, выпишите последовательность РНК и используйте У, а не Т.

Ошибка: записывать мРНК без учёта комплементарности или направления цепей ДНК. Причина — не уточнить, дана кодирующая или матричная цепь; для них правила записи различаются. Проверка: сначала подпишите тип цепи и направление, а затем либо замените Т на У, либо постройте комплементарную последовательность.

Ошибка: путать однозначность с вырожденностью. Однозначность относится к одному кодону: у него одно значение; вырожденность — к одной аминокислоте, которую могут задавать разные кодоны. Проверка: сформулируйте свойства в обе стороны — «кодон задаёт одно значение», но «аминокислота может иметь несколько кодонов».

Ошибка: включать стоп-кодон в белок или считать его аминокислотой. Такое происходит, если все триплеты воспринимают как обозначения аминокислот, хотя стоп-кодон является сигналом завершения трансляции. Проверка: при подсчёте аминокислот остановитесь перед стоп-кодоном и не прибавляйте его к длине полипептида.

Связь с другими темами

Для понимания генетического кода нужны знания о строении ДНК и РНК, различиях между их нуклеотидами и принципе комплементарности. Также нужно знать, что такое ген и белок, а белки состоят из аминокислот. Эта тема помогает объяснить, как изменения в ДНК могут привести к изменениям белка, поэтому она связана с мутациями и наследственной изменчивостью. Понимание считывания генов пригодится и при изучении регуляции их работы.

Что запомнить

• Кодон состоит из трёх нуклеотидов матричной РНК.
• Генетический код связывает последовательность нуклеотидов с последовательностью аминокислот.
• Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК.
• Трансляция происходит на рибосоме с участием матричной и транспортной РНК.
• Старт- и стоп-кодоны задают начало и окончание трансляции.
• Генетический код вырожден: одну аминокислоту могут задавать несколько кодонов.
• При трансляции кодоны считываются последовательно, без перекрытия.