§ 11. Наследственная информация. Генетический код и синтез белка

Определения и обозначения

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о строении определённого белка или функциональной РНК. Последовательность нуклеотидов в гене задаёт последовательность аминокислот в белке либо порядок нуклеотидов в РНК. Белки влияют на строение и работу клеток, поэтому работа генов связана с проявлением наследственных признаков. Ген можно представить как инструкцию, записанную на молекуле ДНК.

Генетический код — способ записи информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов. Он устанавливает соответствие между кодонами и аминокислотами: например, определённый кодон означает, какую аминокислоту нужно добавить. Код един для большинства организмов, поэтому он позволяет клеткам переводить запись нуклеотидов в белковую цепь. Несколько разных кодонов могут соответствовать одной аминокислоте.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, задающая одну аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза белка. Рибосома читает иРНК именно такими тройками, а не по одному нуклеотиду. Например, кодон УАА является стоп-кодоном: он сообщает, что сборка белка должна завершиться. Поэтому границы между кодонами важны для правильного чтения инструкции.

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на одной из цепей ДНК по принципу комплементарности. Напротив каждого нуклеотида матричной цепи ДНК в иРНК встаёт соответствующий нуклеотид. Такая копия переносит инструкцию к месту сборки белка, тогда как ДНК остаётся хранилищем информации. Следующий этап передачи инструкции от иРНК к белку называется трансляцией.

Как это устроено

Порядок нуклеотидов в ДНК хранит информацию потому, что группы нуклеотидов задают последовательность аминокислот белка. Аминокислоты соединяются в цепь, а её порядок влияет на форму и свойства белка. Белки выполняют разные функции в клетке и организме, поэтому их свойства могут отражаться на признаках. Если в ДНК меняется нуклеотид, может измениться кодон, а вслед за ним — аминокислота или весь ход синтеза белка.

Перед сборкой белка клетке нужно доставить инструкцию от ДНК к рибосоме. У эукариот ДНК находится в ядре, а рибосомы — в цитоплазме или на мембранах клеточных структур. иРНК служит переносимой копией нужного участка, поэтому рибосома может работать, не перемещая ДНК из ядра. Так клетка сохраняет основную молекулу наследственной информации и использует для синтеза её отдельную копию.

Во время транскрипции одна цепь ДНК служит матрицей для создания иРНК. Нуклеотиды подбираются по комплементарности: напротив А ДНК ставится У РНК, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. В результате последовательность иРНК не совпадает с матричной цепью, а дополняет её. В РНК вместо тимина используется урацил, поэтому при записи важно не переносить обозначения ДНК без изменений.

На рибосоме начинается трансляция — сборка белка по инструкции иРНК. Рибосома последовательно считывает её по три нуклеотида, то есть кодонами, а молекулы тРНК доставляют аминокислоты. У каждой тРНК есть участок, который подходит к определённому кодону, и связанная с ним аминокислота. Когда тРНК присоединяется к рибосоме, принесённая аминокислота добавляется к растущей белковой цепи.

Порядок кодонов иРНК задаёт порядок аминокислот в белке, потому что каждому кодону соответствует определённая аминокислота. Рибосома проходит кодон за кодоном, соединяя доставленные тРНК аминокислоты в одну цепь. Начальный сигнал задаёт место, откуда следует начать считывание, а стоп-кодон сообщает, что цепь собрана. Стоп-кодон не обозначает аминокислоту: после его распознавания синтез прекращается.

Этапы реализации наследственной информации при синтезе белка

Сравнивайте этапы по матрице и результату: это помогает не путать копирование инструкции со сборкой белка. Обратите внимание, что в обоих процессах участвует нуклеотидная последовательность, но только трансляция приводит к образованию цепи аминокислот.

Разбор задач

Задача 1. Для участка одной цепи ДНК дана последовательность АТГ–ГЦЦ–ТТА. Запишите комплементарную последовательность иРНК. Считаем, что указанная цепь ДНК служит матрицей. Нужно подобрать к каждому её нуклеотиду комплементарный нуклеотид РНК.

1. Записываем правила транскрипции: А ДНК — У РНК, Т — А, Г — Ц, Ц — Г.
2. Для АТГ получаем УАЦ, для ГЦЦ — ЦГГ, для ТТА — ААУ.
3. Соединяем полученные триплеты, сохраняя их порядок: УАЦ–ЦГГ–ААУ.

Ответ: УАЦ–ЦГГ–ААУ. При записи важно не подменять урацил тимином: в иРНК используется У.

Задача 2. Фрагмент иРНК содержит кодоны АУГ–ГЦУ–УАА. Определите, сколько аминокислот будет включено в белок до сигнала окончания синтеза. Сначала нужно разделить последовательность на кодоны, затем выяснить, какие из них задают аминокислоты, а какой завершает трансляцию. Это позволяет не считать стоп-сигнал частью белковой цепи.

1. Последовательность уже разбита на триплеты: АУГ, ГЦУ и УАА.
2. АУГ и ГЦУ задают аминокислоты, которые добавляются в цепь.
3. УАА — стоп-кодон, поэтому он прекращает синтез и не добавляет аминокислоту.

Ответ: до сигнала окончания в белок включаются две аминокислоты. В расчётах следует отделять стоп-кодон от кодонов, задающих состав белковой цепи.

Задача 3. В последовательности иРНК кодон ГАА заменился на ГУА. Как это может повлиять на белок и почему для точного вывода нужна таблица генетического кода? Одинаковое изменение нуклеотида может иметь разные последствия, потому что значение нового кодона определяется его соответствием аминокислоте. Следовательно, нужно сравнить не буквы сами по себе, а обозначаемые ими аминокислоты.

1. Сопоставляем исходный и новый кодоны с генетическим кодом: ГАА задаёт глутаминовую кислоту, а ГУА — валин.
2. Значит, в соответствующем месте белка одна аминокислота может замениться другой.
3. Замена способна изменить свойства белка, но итог зависит от участка белка и роли этой аминокислоты.

Ответ: может измениться первичная структура белка из-за замены глутаминовой кислоты на валин. Без таблицы нельзя надёжно определить, какие аминокислоты задают кодоны; кроме того, некоторые замены кодонов не меняют аминокислоту.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что иРНК полностью совпадает с матричной цепью ДНК. Так думают, потому что обе молекулы содержат последовательности нуклеотидов, но при транскрипции нуклеотиды подбираются комплементарно. Проверяйте каждую позицию по правилам А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г. Не забывайте, что в РНК вместо тимина используется урацил.

Вторая ошибка — называть кодоном три нуклеотида ДНК при описании работы рибосомы. Путаница возникает из-за того, что исходная инструкция хранится в ДНК, но рибосома непосредственно считывает иРНК. Проверьте себя вопросом: какая молекула находится на рибосоме и разделена на кодоны? Ответ — иРНК, а не ДНК.

Третья ошибка — считать, что каждый нуклеотид кодирует отдельную аминокислоту. На самом деле соответствие устанавливается для трёх нуклеотидов иРНК, то есть кодона. Ошибку допускают, если смешивают отдельный знак и целую единицу записи. При проверке выпишите последовательность иРНК группами по три буквы и только потом определяйте аминокислоты.

Четвёртая ошибка — считать стоп-кодон обычным кодоном, который задаёт аминокислоту. Он похож на другие кодоны по длине, поэтому его роль легко перепутать, но стоп-кодон служит сигналом завершения трансляции. Сверяйтесь с таблицей генетического кода и отмечайте стоп-сигналы отдельно. Тогда вы не добавите к белку аминокислоту, которой этот кодон не обозначает.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотида и принципе комплементарности. Именно комплементарность объясняет, как с ДНК переписывается последовательность иРНК. Если вы уверенно подбираете пары нуклеотидов, транскрипцию легче представить как создание копии инструкции.

Синтез белка связан с устройством клетки: ядро хранит ДНК, а рибосомы участвуют в сборке белка в цитоплазме. Понимание различий между этими структурами помогает проследить путь информации от гена к белку. иРНК связывает два клеточных участка этого пути.

Знание генетического кода пригодится при изучении мутаций и наследственных признаков. Изменение нуклеотида может повлиять на кодон и аминокислоту, а значит — на свойства белка. Так становится понятнее, каким образом изменения наследственной информации способны отражаться на организме.

Что запомнить

• Наследственная информация записана в последовательности нуклеотидов ДНК.
• Ген содержит информацию о белке или функциональной РНК.
• При транскрипции на матрице ДНК образуется иРНК.
• Рибосома считывает иРНК триплетами — кодонами.
• Каждый кодон задаёт аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза.
• Порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.