§23. Биосинтез белка

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на матрице ДНК по принципу комплементарности. Фермент сопоставляет нуклеотиды двух цепей, поэтому последовательность ДНК задаёт последовательность РНК. Так информация с участка ДНК становится доступной для последующего считывания рибосомой.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома последовательно распознаёт эти тройки, а тРНК доставляют соответствующие аминокислоты. Так запись из нуклеотидов преобразуется в цепь белка.

Генетический код — система соответствия между кодонами иРНК и аминокислотами белка. Он позволяет клетке переводить последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот. Некоторые кодоны указывают не аминокислоту, а начало или завершение считывания.

Кодон — три последовательных нуклеотида иРНК, определяющие аминокислоту или сигнал окончания синтеза. Кодоны читаются подряд, без пропусков и перекрывания, начиная с установленной точки. Поэтому даже изменение положения одного нуклеотида может повлиять на то, как будут сгруппированы следующие тройки.

Как это устроено

ДНК не участвует непосредственно в сборке белка: её молекула хранит наследственную информацию, тогда как рибосомы работают в цитоплазме и считывают иРНК. Сначала с нужного участка ДНК создаётся копия-инструкция, которая может перемещаться к рибосоме. Благодаря этому исходная ДНК остаётся в сохранности, а клетка может использовать одну и ту же инструкцию для синтеза многих молекул белка.

При транскрипции матричной становится одна из двух цепей ДНК — та, которую РНК-полимераза считывает в направлении 3′→5′. Новая иРНК строится антипараллельно, в направлении 5′→3′, и её нуклеотиды комплементарны матричной цепи: напротив А в ДНК встаёт У в РНК, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. В РНК используется урацил вместо тимина, поэтому иРНК не является точной копией матричной цепи, хотя сохраняет закодированную ею информацию.

Для трансляции нужны иРНК, рибосома и транспортные РНК (тРНК), каждая из которых переносит определённую аминокислоту. Антикодон тРНК соединяется с комплементарным кодоном иРНК, поэтому к растущей цепи присоединяется именно та аминокислота, которую задаёт инструкция. Рибосома удерживает участников процесса и соединяет аминокислоты пептидными связями; после этого она перемещается к следующему кодону.

Трансляция начинается с инициации: рибосома связывается с иРНК и находит стартовый кодон, обычно АУГ. При элонгации рибосома продвигается по иРНК, тРНК приносят аминокислоты, а цепь удлиняется. Терминация начинается, когда в рабочем участке рибосомы оказывается стоп-кодон: подходящей тРНК для него нет, сборка заканчивается и полипептид освобождается.

Последовательность нуклеотидов определяет порядок кодонов, а тот — порядок аминокислот, из которых складывается белок. Генетический код триплетен: один кодон содержит три нуклеотида; он однозначен, поскольку конкретный кодон задаёт одну аминокислоту или стоп-сигнал. При этом код вырожден: многие аминокислоты имеют несколько кодонов, что позволяет некоторым заменам нуклеотида не менять аминокислоту.

Этапы биосинтеза белка

Таблица помогает проследить, как процесс переходит от переписывания информации к сборке белка. Для каждого этапа сравнивайте матрицу, участников и результат: это позволяет не путать транскрипцию с трансляцией. Созревание иРНК характерно для эукариот; у прокариот оно устроено иначе.

Разбор задач

Задача 1. Дана матричная цепь ДНК: 3′-ТАЦ–ЦГА–ААА–АТТ-5′. Определите последовательность иРНК и антикодоны соответствующих тРНК. Сначала нужно учесть направление: иРНК синтезируется антипараллельно матричной цепи. Антикодоны записываем комплементарно кодонам иРНК и антипараллельно им.

1. Строим иРНК в направлении 5′→3′: напротив Т ставим А, напротив А — У, напротив Ц — Г, напротив Г — Ц. Получаем 5′-АУГ–ГЦУ–УУУ–УАА-3′.
2. Для первых трёх кодонов определяем комплементарные антикодоны: АУГ—УАЦ, ГЦУ—ЦГА, УУУ—ААА. В записи 3′→5′ это 3′-УАЦ–ЦГА–ААА-5′.
3. Последний триплет УАА — стоп-кодон. Он не распознаётся тРНК с антикодоном и не имеет соответствующей аминокислоты.

Ответ: иРНК — 5′-АУГ–ГЦУ–УУУ–УАА-3′; антикодоны тРНК — 3′-УАЦ–ЦГА–ААА-5′. Запись направлений обязательна: без неё легко перепутать комплементарность с простым совпадением букв.

Задача 2. Фрагмент иРНК имеет вид 5′-АУГ–ГЦУ–УУУ–УАА-3′. Определите последовательность аминокислот белка по таблице генетического кода. Здесь важно считывать кодоны именно в направлении 5′→3′ и не включать стоп-кодон в полипептид. Для названий аминокислот используем таблицу кода.

1. Делим фрагмент на триплеты: АУГ, ГЦУ, УУУ, УАА. Первый кодон АУГ — стартовый, поэтому с него начинается считывание.
2. По таблице генетического кода находим соответствия: АУГ — метионин, ГЦУ — аланин, УУУ — фенилаланин.
3. Последний кодон УАА — стоп-сигнал. Он завершает трансляцию, но не добавляет аминокислоту.

Ответ: метионин–аланин–фенилаланин. Стартовый кодон при этом кодирует метионин, а стоп-кодон в последовательность белка не входит.

Задача 3. Сравните последствия замены одного нуклеотида и удаления одного нуклеотида в участке иРНК со стартовым кодоном и несколькими следующими кодонами. Нужно проверить, меняется ли только одна тройка или нарушается группировка всей последовательности. Последствие зависит также от того, какой именно нуклеотид изменён и где он находится.

1. При замене нуклеотида длина цепи остаётся прежней, поэтому рамка считывания обычно сохраняется. Изменится один кодон; он может начать задавать другую аминокислоту, стать стоп-кодоном или, из-за вырожденности кода, по-прежнему задавать ту же аминокислоту.
2. При удалении одного нуклеотида длина цепи сокращается на единицу. Если удаление расположено после стартового кодона, последующие нуклеотиды группируются в новые триплеты, то есть рамка считывания сдвигается.
3. Новые кодоны могут задавать другую последовательность аминокислот, а иногда быстро появляется стоп-кодон. Исключение — удаление числа нуклеотидов, кратного трём: тогда рамка сохраняется, хотя аминокислоты теряются.

Ответ: одиночная замена обычно влияет на один кодон, а удаление одного нуклеотида после точки начала обычно меняет все последующие кодоны. Оба изменения могут повлиять на структуру и функцию белка, но точный результат определяется последовательностью и местом изменения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что иРНК полностью совпадает с матричной цепью ДНК. Их последовательности комплементарны, потому что матрица задаёт подбор нуклеотидов; сходство с иРНК имеет кодирующая цепь ДНК, если заменить Т на У. Для проверки постройте иРНК по каждой букве матричной цепи и сравните её именно с другой, кодирующей цепью.

Ошибка: читать кодоны иРНК в направлении 3′→5′. Рибосома движется по иРНК от 5′ к 3′, поэтому обратное чтение меняет порядок кодонов и может дать неверную последовательность белка. Перед решением отмечайте концы цепи, а затем разбивайте её на тройки слева направо от 5′.

Ошибка: путать кодон и антикодон. Кодон расположен на иРНК, а антикодон — на тРНК; они комплементарны и ориентированы навстречу друг другу. Чтобы проверить себя, подпишите молекулу рядом с каждой тройкой и убедитесь, что пары букв соответствуют правилу комплементарности.

Ошибка: включать стоп-кодон в число аминокислот белка. Его задача — остановить трансляцию, а не привлечь тРНК с аминокислотой, поэтому полипептид на этом кодоне не удлиняется. При решении отметьте стоп-кодон отдельно и считайте только аминокислотные кодоны до него.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, нуклеотидах и правиле комплементарности. Различия между типами РНК объясняют, почему иРНК служит инструкцией, тРНК переносит аминокислоты, а рибосома участвует в сборке цепи. Если уверенно находить комплементарные последовательности, транскрипцию и задачи на кодоны решать легче.

Эта тема связывает понятие гена с его продуктом — белком, а также помогает понять последствия мутаций. Изменение последовательности ДНК может изменить иРНК, кодоны и аминокислотный состав, хотя некоторые замены не меняют аминокислоту из-за вырожденности кода. Так становится яснее, почему мутация не всегда одинаково влияет на признак.

Те же закономерности используют при изучении регуляции экспрессии генов, наследственных заболеваний, генной инженерии и биотехнологии. Понимание того, как клетка считывает и преобразует генетическую информацию, помогает объяснить, как исследователи находят изменения в генах и проектируют получение нужных белков. Поэтому транскрипция и трансляция служат основой для многих тем современной биологии.

Что запомнить

• Биосинтез белка включает транскрипцию и трансляцию.
• При транскрипции информация переносится с ДНК на иРНК.
• При трансляции последовательность кодонов иРНК преобразуется в последовательность аминокислот.
• Кодон состоит из трёх нуклеотидов.
• Стартовый кодон обычно АУГ, а стоп-кодоны не кодируют аминокислоты.
• Антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК.
• Изменение последовательности нуклеотидов может изменить структуру и функцию белка.