§23. Биосинтез белка

Определения и обозначения

Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов и аминокислотами. Он триплетный: одна аминокислота задаётся сочетанием из трёх нуклеотидов; однозначный: каждый кодон обозначает только одну аминокислоту или сигнал. Код вырожден, потому что одну аминокислоту могут задавать несколько кодонов, и почти универсален: у большинства организмов значения кодонов совпадают.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, которая задаёт аминокислоту либо служит сигналом начала или окончания трансляции. Кодоны читаются без пропусков по три, поэтому их порядок помогает рибосоме правильно собирать белок. Например, AUG обычно является старт-кодоном, а UAA — одним из стоп-кодонов.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице ДНК. При этом информация гена переносится в последовательность РНК: напротив нуклеотидов матричной цепи встают комплементарные им нуклеотиды. Полученная РНК может служить копией инструкции для дальнейшего синтеза белка.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома сопоставляет кодоны с антикодонами тРНК, а тРНК доставляют аминокислоты. Так запись из нуклеотидов преобразуется в цепочку аминокислот.

Как это устроено

Информация о белке находится в ДНК, но сборка белка происходит не на самой молекуле ДНК. У эукариот ДНК в основном расположена в ядре, а рибосомы, на которых строится полипептид, находятся в цитоплазме или на мембранах. Поэтому клетке нужна переносимая копия инструкции — иРНК, которая доставляет её от гена к месту сборки.

При транскрипции фермент РНК-полимераза распознаёт участок ДНК и использует одну из его цепей как матрицу. Фермент подбирает комплементарные нуклеотиды РНК: напротив A ДНК в РНК встаёт U, напротив T — A, а G и C соответствуют друг другу. Новая молекула строится в направлении 5′→3′, поэтому матричная цепь читается в противоположном направлении.

У эукариот первая копия РНК часто содержит участки, которые не должны попасть в инструкцию для рибосомы. Перед выходом из ядра такая первичная РНК созревает: интроны удаляются, а экзоны сшиваются друг с другом. Это позволяет получить зрелую иРНК с непрерывной последовательностью, по которой можно собирать белок, и направить её в цитоплазму.

На рибосоме иРНК располагается так, чтобы её нуклеотиды считывались по три — кодонами. Каждому кодону соответствует тРНК с комплементарным антикодоном; к этой тРНК прикреплена определённая аминокислота. Когда кодон и антикодон распознают друг друга, нужная аминокислота оказывается рядом с растущей цепью, а не случайно выбирается из цитоплазмы.

Трансляция начинается, когда рибосома находит старт-кодон и устанавливает рамку считывания. Затем к цепи последовательно добавляются аминокислоты, между которыми образуются пептидные связи; рибосома перемещается вдоль иРНК от кодона к кодону. Достигнув стоп-кодона, она прекращает сборку: полипептид отделяется, а компоненты комплекса могут использоваться снова.

Сравнение транскрипции и трансляции

Сравнивай процессы по тому, какая молекула служит матрицей и какой продукт получается. Это помогает не путать переписывание информации в РНК с переводом последовательности РНК в аминокислотную цепь. Указанное место транскрипции относится к эукариотам; у прокариот нет ядра.

Разбор задач

1. Запись иРНК по кодирующей цепи ДНК

Условие: для участка кодирующей цепи ДНК 5′-ATG GAA TTT-3′ запишите последовательность иРНК. Нужно учесть, что данная цепь является кодирующей, а не матричной. Поэтому последовательность иРНК совпадает с ней, кроме замены тимина на урацил.

1. Переписываем нуклеотиды кодирующей цепи в том же порядке: ATG GAA TTT.
2. Заменяем каждый T на U, поскольку в РНК вместо тимина присутствует урацил.
3. Сохраняем направление записи 5′→3′ и границы триплетов.

Ответ: 5′-AUG GAA UUU-3′. Если бы в условии была дана матричная цепь, пришлось бы подбирать комплементарные нуклеотиды и учитывать направления цепей. Здесь это не требуется, поскольку указана именно кодирующая цепь.

2. Перевод кодонов в аминокислоты

Условие: по фрагменту иРНК 5′-AUG GAA UUU UAA-3′ определите последовательность аминокислот и место окончания трансляции. Сначала нужно разделить последовательность на кодоны, затем свериться с таблицей генетического кода. Стоп-кодон отмечает завершение процесса, но аминокислоту в цепь не добавляет.

1. Разбиваем фрагмент на триплеты: AUG, GAA, UUU и UAA.
2. По таблице кода определяем соответствия: AUG — метионин, GAA — глутаминовая кислота, UUU — фенилаланин.
3. UAA распознаём как стоп-кодон и не включаем его в последовательность аминокислот.

Ответ: метионин — глутаминовая кислота — фенилаланин. Трансляция заканчивается при считывании кодона UAA; сама аминокислотная цепь состоит из трёх названных аминокислот. Нельзя приписывать стоп-кодону ещё одну аминокислоту.

3. Возможные последствия замены нуклеотида

Условие: в участке ДНК заменился один нуклеотид; нужно оценить влияние, если новый кодон задаёт прежнюю аминокислоту, другую аминокислоту или становится стоп-кодоном. Мутацию следует проследить по цепочке: изменение ДНК может изменить кодон иРНК, а кодон — повлиять на состав белка. Сам факт замены ещё не означает, что белок обязательно изменится.

1. Если новый кодон задаёт ту же аминокислоту, состав полипептида не меняется. Такая замена может быть нейтральной для последовательности белка.
2. Если новый кодон задаёт другую аминокислоту, в белке изменится соответствующее звено. Влияние на свойства белка зависит от того, где находится эта аминокислота и насколько важен участок.
3. Если новый кодон стал стоп-кодоном, трансляция завершится раньше. Полипептид окажется укороченным, что может нарушить его работу.

Ответ: возможны отсутствие изменения аминокислотной последовательности, замена одной аминокислоты или преждевременное завершение синтеза. Для точного вывода нужно установить, какой кодон получился после изменения и где он расположен. Один и тот же тип замены в разных местах гена может иметь неодинаковые последствия.

Типичные ошибки

Путать кодон и антикодон — значит приписывать триплет не той молекуле: кодон находится на иРНК, антикодон — на тРНК. Эту ошибку допускают, потому что оба триплета участвуют в распознавании друг друга. Проверь себя: спроси, какую молекулу считывает рибосома; её триплет и будет кодоном.

Считать, что аминокислоту непосредственно задаёт триплет ДНК, неверно: при трансляции рибосома считывает кодоны иРНК. Путаница возникает из-за того, что исходная информация хранится в ДНК. Чтобы проверить ответ, проследи путь информации: ДНК — транскрипция — иРНК — трансляция — полипептид.

Записывать иРНК без учёта направления и комплементарности можно только в особом случае, когда дана кодирующая цепь. При транскрипции РНК строится на матричной цепи и в направлении 5′→3′, поэтому одной механической замены T на U не всегда достаточно. Перед записью выясни, какая цепь дана, и обозначь её направление.

Включать стоп-кодон в состав белка нельзя: он не кодирует аминокислоту, а сообщает рибосоме о завершении трансляции. Ошибка появляется, если все триплеты иРНК автоматически переводят в названия аминокислот. Проверь себя по таблице генетического кода: стоп-сигнал отмечает конец цепи, но не добавляет к ней звено.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, нуклеотидах и принципе комплементарности. Они объясняют, как информация переписывается с одной молекулы на другую. Понимание генетического кода и мутаций пригодится при изучении наследственности и изменчивости, в том числе причин некоторых наследственных заболеваний.

Тема связана и с устройством эукариотической клетки: транскрипция проходит в ядре, а трансляция — на рибосомах в цитоплазме. Разделение процессов объясняет, зачем клетке нужна иРНК как переносчик инструкции. У прокариот ядра нет, поэтому пространственная организация этих процессов отличается.

Что запомнить

• Информация о первичной структуре белка записана в последовательности нуклеотидов гена.
• При транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК.
• Кодон иРНК состоит из трёх нуклеотидов.
• Трансляция происходит на рибосоме с участием иРНК и тРНК.
• Каждая тРНК приносит аминокислоту, соответствующую распознанному кодону.
• Старт-кодон начинает трансляцию, а стоп-кодон завершает её.
• Порядок кодонов иРНК определяет порядок аминокислот в полипептиде.