23. Пластический обмен. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Пластический обмен — совокупность реакций синтеза органических веществ из более простых соединений с затратой энергии. Благодаря ему клетка создаёт вещества и структуры, необходимые для роста и обновления. Энергия нужна, потому что образование сложных молекул требует затрат.

Биосинтез белка — образование белковой молекулы по информации, записанной в гене. Ген — участок ДНК, содержащий последовательность нуклеотидов, которая задаёт строение белка. Эта информация в итоге определяет порядок аминокислот в белковой цепи.

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на матрице участка ДНК. иРНК, или информационная РНК, переносит копию сведений о гене от ДНК к месту сборки белка. Название процесса напоминает о переписывании информации.

Трансляция — сборка полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Кодон — группа из трёх нуклеотидов, которая задаёт аминокислоту или сигнал остановки. Рибосома и тРНК помогают перевести последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот.

Как это устроено

Пластический обмен нужен клетке не только для создания белков, но и для построения других органических веществ и структур. Новые молекулы позволяют клетке расти, заменять повреждённые части и делиться. На образование связей в сложных веществах затрачивается энергия, поэтому синтез нельзя считать самопроизвольным процессом. Энергия и исходные вещества поступают в клетку в ходе обмена веществ.

Сведения о строении белка заключены в порядке нуклеотидов гена: последовательность этих «букв» связана с порядком аминокислот. ДНК служит долговременным хранилищем наследственной информации, но синтез белка происходит в другом месте клетки. Поэтому сначала нужный участок информации переписывается в иРНК. Такая копия может покинуть ядро и доставить сообщение к рибосоме.

Во время транскрипции фермент РНК-полимераза использует одну цепь ДНК как матрицу. Нуклеотиды иРНК подбираются комплементарно: напротив А в ДНК в РНК встаёт У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. Цепи направлены противоположно, то есть антипараллельны. У эукариот транскрипция идёт в ядре, где находится ДНК; результатом становится молекула иРНК.

При трансляции рибосома связывается с иРНК и последовательно считывает её кодоны. Транспортные РНК (тРНК) доставляют к рибосоме аминокислоты; каждая распознаёт подходящий кодон с помощью своего антикодона. Рибосома соединяет принесённые аминокислоты в цепь, поэтому их порядок определяется порядком кодонов. Трансляция у эукариот происходит на рибосомах цитоплазмы или шероховатой эндоплазматической сети.

Генетический код связывает кодоны иРНК с аминокислотами. Он триплетный: в каждом кодоне три нуклеотида; однозначный: один кодон задаёт одну аминокислоту либо стоп-сигнал; вырожденный: одну аминокислоту могут задавать разные кодоны. Код называют универсальным, потому что у большинства организмов одни и те же кодоны соответствуют одним и тем же аминокислотам. Синтез обычно начинается со старт-кодона АУГ и прекращается при встрече стоп-кодона.

Этапы биосинтеза белка

Сначала сравните матрицу и место каждого процесса: так проще не перепутать переписывание информации с её переводом в белок. Затем проверьте, какие участники и результат указаны для каждого этапа. Последовательность процессов одна: транскрипция, затем трансляция.

Разбор задач

Задача: по фрагменту матричной цепи ДНК 3′-ТАЦ-ЦГГ-ААТ-5′ определить последовательность иРНК. Здесь дана именно матричная цепь, поэтому нуклеотиды РНК нужно подбирать к ней комплементарно. Из-за антипараллельности иРНК будет записана в направлении 5′→3′. В готовой РНК следует использовать урацил, а не тимин.

1. Сопоставляем основания матричной ДНК с нуклеотидами РНК: Т—А, А—У, Ц—Г, Г—Ц.
2. Для триплета ТАЦ получаем АУГ, для ЦГГ — ГЦЦ, для ААТ — УУА.
3. Проверяем, что запись иРНК идёт в противоположном направлении относительно матричной цепи.

Ответ: 5′-АУГ-ГЦЦ-УУА-3′. Каждому основанию ДНК соответствует комплементарное основание РНК, а тимина в получившейся иРНК нет. Направления цепей показывают, почему ответ записан от 5′ к 3′.

Задача: определить аминокислотную последовательность по фрагменту иРНК 5′-АУГ-ГЦУ-УАА-3′. При трансляции иРНК читают по три нуклеотида, начиная с участка, содержащего старт-кодон. Для определения аминокислот используют таблицу генетического кода именно для кодонов иРНК. Стоп-кодон не обозначает аминокислоту, а завершает синтез.

1. Разделяем последовательность на кодоны: АУГ, ГЦУ, УАА.
2. По таблице генетического кода определяем: АУГ — метионин, ГЦУ — аланин.
3. УАА — стоп-кодон, поэтому после него цепь не продолжается.

Ответ: метионин — аланин. Начало чтения важно: если сдвинуть границы кодонов, получится другая последовательность. Стоп-кодон завершает запись аминокислот и в белковую цепь не включается.

Задача: по аминокислотной последовательности восстановить возможные кодоны и объяснить, почему нельзя однозначно определить исходную ДНК. Пусть дана последовательность метионин — аланин. Смотрим в таблицу: метионину соответствует АУГ, а аланину — несколько вариантов, в том числе ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА и ГЦГ. Поэтому нужно перечислить возможные варианты, а не выбирать один без дополнительных данных.

1. Для метионина записываем кодон АУГ; для аланина выбираем любой из кодонов ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ.
2. Получаем возможные фрагменты иРНК: например, 5′-АУГ-ГЦУ-3′ или 5′-АУГ-ГЦЦ-3′.
3. Чтобы получить матричную ДНК, подбираем комплементарные основания и учитываем антипараллельность. Кодирующая цепь ДНК совпадает с иРНК по последовательности, кроме замены У на Т.

Ответ: возможны разные варианты кодонов и соответствующих последовательностей ДНК. Однозначно восстановить исходную ДНК нельзя из-за вырожденности генетического кода и потому, что матричная и кодирующая цепи различаются. Если дана только последовательность аминокислот, она не сообщает, какой из синонимичных кодонов использовался.

Типичные ошибки

Транскрипцию путают с трансляцией, потому что оба процесса участвуют в синтезе белка. Но при транскрипции на ДНК образуется иРНК, а при трансляции на рибосоме собирается белковая цепь. Проверьте себя вопросом: что является матрицей и каков результат? Если ответ «ДНК — иРНК», это транскрипция.

В иРНК иногда записывают тимин или нарушают комплементарность. Причина — привычка переносить обозначения ДНК без проверки типа молекулы. В РНК вместо тимина стоит урацил, а каждое основание должно соответствовать парному по правилу комплементарности. Пересчитайте каждую пару и убедитесь, что направление цепей указано верно.

Кодоны могут читать не с начала иРНК или не в направлении 5′→3′. Тогда меняются границы триплетов, а вместе с ними и аминокислотная последовательность. Такая ошибка возникает, если не отметить старт-кодон перед разбором. Разбейте запись на триплеты от начала чтения и остановитесь на стоп-кодоне.

Иногда считают, что белку соответствует только один набор кодонов. Это происходит, если забыть о вырожденности генетического кода: одну аминокислоту могут задавать разные триплеты. Поэтому по белку нельзя всегда однозначно восстановить нуклеотидную последовательность. Проверьте таблицу кода: если для аминокислоты указано несколько кодонов, возможны разные варианты.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, ядре и рибосомах, а также о составе ДНК и РНК и принципе комплементарности. Биосинтез белка связывает ген с наследственностью: изменение последовательности ДНК может повлиять на белок и признаки организма. Позже эти знания помогают объяснять рост и развитие, специализацию клеток, наследственные заболевания и применение биотехнологий. Так становится понятнее, как информация в генах участвует в работе организма.

Что запомнить

• Пластический обмен — это синтез веществ с затратой энергии.
• Белок синтезируется по информации, записанной в гене.
• Транскрипция: ДНК → иРНК.
• Трансляция происходит на рибосоме: иРНК → полипептид.
• Один кодон иРНК состоит из трёх нуклеотидов и соответствует аминокислоте или сигналу остановки.
• Последовательность аминокислот определяет строение и функцию белка.
• Комплементарность обеспечивает передачу генетической информации от ДНК к иРНК.