§ 13. Синтез рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белка

Определения и обозначения

Транскрипция — синтез молекулы РНК на одной из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК подбираются по принципу комплементарности: напротив А ДНК встаёт У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. Так ген получает РНК-копию, пригодную для дальнейшей работы клетки.

Информационная РНК (иРНК) — молекула, которая переносит записанную в гене информацию к месту синтеза белка. Её последовательность нуклеотидов служит инструкцией для рибосомы. Благодаря иРНК клетке не требуется использовать саму ДНК как непосредственную инструкцию при сборке белка.

Генетический код — способ записи информации о последовательности аминокислот с помощью триплетов нуклеотидов. Каждый такой триплет в иРНК называется кодоном. Код нужен, чтобы по записи из четырёх видов нуклеотидов определить порядок аминокислот в белке.

Трансляция — сборка белковой молекулы на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома сопоставляет кодоны с аминокислотами, которые приносят транспортные РНК. В результате появляется цепочка аминокислот, из которой формируется белок.

Как это устроено

При транскрипции участок ДНК временно раскрывается, и РНК-полимераза движется вдоль одной его цепи — матрицы. Фермент соединяет свободные РНК-нуклеотиды в последовательность, комплементарную матрице, поэтому порядок оснований ДНК задаёт порядок оснований РНК. В РНК используется урацил вместо тимина, что учитывают при подборе каждого нуклеотида. Для конкретной молекулы РНК матрицей служит только одна цепь, а в клетках эукариот первичная РНК проходит созревание перед выходом из ядра.

Созревшая иРНК переносит копию информации о гене к рибосоме: у эукариот она выходит из ядра в цитоплазму, где располагаются рибосомы. Это позволяет сохранить ДНК в ядре и использовать её запись в другом месте клетки. Рибосома читает последовательность иРНК, а не ДНК, и именно порядок нуклеотидов в ней определяет порядок аминокислот. Если в записи изменится нуклеотид, может измениться кодон и, следовательно, состав белка.

Генетический код читается последовательно по три нуклеотида — кодонами, без пропусков и перекрытия. Обычно трансляция начинается с кодона АУГ, который задаёт старт и кодирует аминокислоту метионин; этот сигнал помогает рибосоме выбрать точку начала чтения. Другие кодоны указывают, какую аминокислоту присоединить. Кодоны УАА, УАГ и УГА — стоп-сигналы: они завершают трансляцию, а не обозначают аминокислоту.

Во время трансляции рибосома последовательно связывается с кодонами иРНК и соединяет принесённые аминокислоты в цепь. Каждая транспортная РНК (тРНК) несёт определённую аминокислоту и имеет антикодон — три нуклеотида, комплементарные кодону иРНК. Когда антикодон подходит к кодону, нужная аминокислота включается в растущую цепь. Затем рибосома переходит к следующему кодону, пока не встретит стоп-сигнал.

Транскрипция и трансляция составляют связанный путь передачи наследственной информации: ДНК → РНК → белок. Первая стадия переносит запись гена в форму иРНК, а вторая переводит порядок её кодонов в порядок аминокислот. Поэтому итог синтеза зависит от последовательности нуклеотидов гена. Изменение этой последовательности способно повлиять на белок, хотя эффект зависит от того, какой именно нуклеотид и где изменился.

Сравнение транскрипции и трансляции

Сравнивайте процессы по тому, что служит матрицей и какой продукт образуется: это помогает не путать переписывание информации с её переводом в белок. Место транскрипции указано для эукариот; у прокариот ядра нет, поэтому процессы происходят в цитоплазме.

Разбор задач

1. Для участка матричной цепи ДНК АТГ–ГЦЦ–ТТА запишите последовательность иРНК.

Нужно получить цепь РНК, комплементарную данной матричной цепи. Сначала сопоставляем основания по правилам, затем проверяем, что в ответе нет тимина: в РНК вместо него используется урацил.

1. Напротив А ставим У, напротив Т — А, напротив Г — Ц. Первый триплет АТГ превращается в УАЦ.
2. Для ГЦЦ получаем ЦГГ: Г соответствует Ц, а Ц соответствует Г.
3. Для ТТА получаем ААУ. Соединяем триплеты в исходном порядке.

Ответ: иРНК УАЦ–ЦГГ–ААУ. Проверка: каждый нуклеотид подобран к основанию матричной ДНК, а буквы Т в РНК нет.

2. В последовательности иРНК УАЦ–АУГ–ГЦУ–УАА найдите старт-кодон, кодон аминокислоты и стоп-кодон.

Последовательность уже разделена на триплеты, поэтому рассматриваем каждый кодон отдельно. Старт-кодон обычно задаёт начало чтения, а стоп-кодон отмечает завершение трансляции. Оставшийся кодон, если он соответствует аминокислоте, обозначает её включение в белок.

1. Сверяем триплеты с генетическим кодом: АУГ — старт-кодон, который также кодирует метионин.
2. ГЦУ кодирует аминокислоту аланин, поэтому это кодон аминокислоты.
3. УАА — стоп-кодон. УАЦ кодирует аминокислоту тирозин, но в этой последовательности он стоит перед стартом и сам по себе не задаёт начало трансляции.

Ответ: старт-кодон — АУГ, кодон аминокислоты после него — ГЦУ, стоп-кодон — УАА. При обычном считывании трансляция начинается с АУГ, а предыдущий триплет не включается в эту белковую цепь.

3. Используя таблицу генетического кода, определите последовательность аминокислот для иРНК АУГ–ГЦУ–УАА и объясните, где синтез остановится.

Считывать нужно от старт-кодона, последовательно, по три нуклеотида. Каждому кодону сопоставляем значение по таблице генетического кода. Если встречается стоп-кодон, его не переводят в аминокислоту, а прекращают сборку цепи.

1. Первый кодон АУГ — стартовый; он задаёт метионин.
2. Следующий кодон ГЦУ соответствует аланину, поэтому к цепи присоединяется вторая аминокислота.
3. Последний кодон УАА — сигнал остановки. После него рибосома завершает синтез и освобождает белковую цепь.

Ответ: метионин–аланин; синтез останавливается при распознавании кодона УАА. В готовую последовательность аминокислот стоп-кодон не входит.

Типичные ошибки

Считать, что при транскрипции копируются обе цепи ДНК, — неверно: для синтеза конкретной молекулы РНК матрицей служит одна цепь. Две цепи ДНК комплементарны, поэтому их одновременное копирование для одной и той же РНК дало бы разные записи. Ошибку допускают, потому что слово «копирование» воспринимают как переписывание всей молекулы. Проверка: в условии найдите, какая цепь названа матричной, и работайте только с ней.

Записывать в РНК тимин или подбирать основания без комплементарности — значит получить неверную последовательность. Часто путают названия нуклеотидов ДНК и РНК либо просто переписывают исходные буквы. Проверяйте каждую пару: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г, если перед вами матричная ДНК и синтезируется РНК. В готовом ответе не должно быть Т.

Кодон и антикодон — не одно и то же: кодон находится в иРНК, а комплементарный ему антикодон — в тРНК. Их путают, потому что оба состоят из трёх нуклеотидов и взаимодействуют при трансляции. Чтобы проверить себя, уточните, о какой молекуле говорится: рибосома читает кодоны иРНК, а тРНК распознаёт их антикодонами. Например, кодону АУГ соответствует антикодон УАЦ.

Не каждый триплет кодирует аминокислоту: стоп-кодоны обозначают завершение трансляции. Ошибка возникает, если считать, что каждому набору из трёх букв обязательно соответствует аминокислота. Сверьте триплет с таблицей генетического кода и определите, не является ли он стоп-сигналом. УАА, УАГ и УГА останавливают синтез и в последовательность аминокислот не включаются.

Связь с другими темами

Для понимания синтеза РНК и белка нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотида и принципе комплементарности. Именно эти основы позволяют правильно определить, какая последовательность РНК получится на матрице ДНК. Без них трудно проследить передачу информации от гена к белку.

Тема связана со строением и работой клетки: ядро хранит ДНК, рибосомы собирают белок, а разные виды РНК участвуют в клеточных процессах. Расположение этих структур объясняет, почему информация переносится от ДНК к месту синтеза. Так молекулярные процессы связываются с работой клетки в целом.

Знание синтеза белка пригодится при изучении генов, мутаций и передачи наследственной информации. Оно помогает понять, как изменение последовательности ДНК может повлиять на иРНК и белок. Это основа для объяснения некоторых наследственных признаков и нарушений работы организма.

Что запомнить

• При транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК.
• В РНК вместо тимина находится урацил.
• Информационная РНК переносит информацию от гена к рибосоме.
• Генетический код читается триплетами нуклеотидов.
• Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосоме.
• Трансляция — сборка белка по последовательности кодонов иРНК.