§ 9. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов и аминокислотами белка. Кодон иРНК состоит из трёх нуклеотидов и задаёт аминокислоту или сигнал остановки. Код вырожден: одну аминокислоту могут обозначать несколько кодонов, но каждый кодон имеет только одно значение.

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на матрице ДНК. У эукариот она происходит в ядре, где к одной цепи ДНК присоединяются комплементарные рибонуклеотиды. Этот этап переносит запись о белке с ДНК на подвижную молекулу иРНК.

Трансляция — синтез белковой цепи на рибосоме по информации иРНК. Рибосома последовательно читает кодоны, а тРНК приносит соответствующие аминокислоты. Так язык нуклеотидов переводится в последовательность аминокислот.

иРНК — информационная РНК, переносящая последовательность нуклеотидов от ДНК к рибосоме. В её составе вместо тимина находится урацил, поэтому при комплементарности с ДНК действует пара А—У. Она служит кратковременной копией участка гена и матрицей для сборки белка.

Как это устроено

Генетическая информация о строении белка хранится в последовательности нуклеотидов определённого участка ДНК — гена. Порядок нуклеотидов важен, потому что именно он задаёт порядок кодонов, а через них — порядок аминокислот. Изменение этой записи может изменить свойства белка, если затронет значимый кодон.

Во время транскрипции на одной цепи ДНК формируется иРНК по принципу комплементарности. Используется только одна цепь, потому что именно её последовательность служит шаблоном для получения нужной копии; вторая цепь уже комплементарна ей. Готовая иРНК покидает ядро и направляется к рибосоме, поэтому сама ДНК не переносится в цитоплазму.

Последовательность иРНК рибосома считывает группами по три нуклеотида — кодонами. Триплетный принцип нужен потому, что четырёх видов нуклеотидов недостаточно для записи большого набора аминокислот одним нуклеотидом, а сочетаний из трёх уже достаточно. Одни кодоны обозначают аминокислоты, а стоп-кодоны служат сигналом окончания сборки цепи.

тРНК доставляет к рибосоме аминокислоту и распознаёт кодон иРНК с помощью антикодона. Антикодон комплементарен кодону, поэтому к каждому участку иРНК подходит только тРНК с соответствующей аминокислотой. Благодаря этому порядок нуклеотидов превращается в точный порядок аминокислот.

Во время трансляции рибосома сближает соседние аминокислоты, и между ними образуются пептидные связи. Цепь растёт в том порядке, который задан кодонами иРНК. Когда встречается стоп-кодон, подходящей аминокислоты нет, поэтому полипептид освобождается и затем приобретает пространственную форму.

Сравнение этапов биосинтеза белка

Таблицу удобно читать слева направо: каждый этап имеет свою матрицу, участников и результат. Сначала информация копируется с ДНК, затем обрабатывается и используется рибосомой для сборки цепи.

Разбор задач

Задача 1

Условие: для кодирующей цепи ДНК 5′-АЦГ-ТТА-ЦЦА-3′ записать последовательность иРНК. Кодирующая цепь имеет такую же последовательность, как иРНК, но вместо урацила содержит тимин.

1. Переписываем нуклеотиды в том же направлении.
2. Заменяем каждую букву Т на У.
3. Получаем иРНК: 5′-АЦГ-УУА-ЦЦА-3′.

Ответ: 5′-АЦГ-УУА-ЦЦА-3′. Комплементарность здесь отдельно не строится, потому что дана кодирующая, а не матричная цепь.

Задача 2

Условие: дана матричная цепь ДНК 3′-ТАЦ-ЦГА-ААТ-5′. Определить иРНК и аминокислотную последовательность. Матричная цепь записана 3′→5′, поэтому иРНК будет строиться в направлении 5′→3′.

1. Подбираем комплементарные основания: Т—А, А—У, Ц—Г, Г—Ц.
2. Записываем иРНК: 5′-АУГ-ГЦУ-УУА-3′.
3. По таблице кода сопоставляем кодоны: АУГ — метионин, ГЦУ — аланин, УУА — лейцин.

Ответ: иРНК 5′-АУГ-ГЦУ-УУА-3′; белковый фрагмент — метионин—аланин—лейцин. Начальный кодон АУГ также задаёт старт трансляции.

Задача 3

Условие: в одном кодоне иРНК заменился один нуклеотид. Нужно выяснить, изменится ли белок, если новый кодон синонимичен исходному или стал стоп-кодоном. Сравнивать следует именно значение нового кодона, а не сам факт замены.

1. Находим исходный и изменённый кодоны в таблице генетического кода.
2. Если оба кодона обозначают одну аминокислоту, последовательность белка не изменится.
3. Если новый кодон стоп-сигнал, синтез оборвётся раньше, и белок укоротится.

Ответ: синонимичная замена может не повлиять на белок, а появление стоп-кодона изменяет длину и обычно функцию белка. Поэтому результат каждой мутации определяют по конкретному кодону.

Типичные ошибки

Путают матричную и кодирующую цепи ДНК. Из-за этого иРНК записывают без комплементарности или в неверном направлении. Проверьте, какая цепь дана: для матричной подбирают пары оснований, а для кодирующей заменяют Т на У и сохраняют порядок.

Используют тимин в иРНК вместо урацила. Ошибка возникает, когда обозначения ДНК механически переносят в РНК. После записи иРНК найдите все буквы Т: в правильной молекуле РНК их быть не должно.

Считают, что один нуклеотид кодирует одну аминокислоту. На самом деле рибосома читает иРНК триплетами, то есть кодонами. Разделите последовательность на группы по три и только потом обращайтесь к таблице генетического кода.

Думают, что любая замена обязательно меняет белок. Так происходит из-за игнорирования вырожденности кода и стоп-кодонов. Сравните значение старого и нового кодона: аминокислота может сохраниться, измениться или замениться сигналом остановки.

Связь с другими темами

До изучения биосинтеза белка нужно знать строение ДНК и РНК, виды нуклеотидов, принцип комплементарности и различия между иРНК и тРНК. Эти знания помогают правильно строить последовательности и понимать работу молекул.

Тема связана со строением клетки: транскрипция у эукариот идёт в ядре, а трансляция — на рибосомах в цитоплазме. Поэтому важно различать ядро, цитоплазму и органоиды, участвующие в синтезе белка.

Знание биосинтеза белка необходимо для объяснения наследственности, мутаций и работы генов. Изменения ДНК могут привести к изменению белка и стать причиной наследственных заболеваний, хотя не каждая замена нуклеотида имеет заметный результат.

Что запомнить

• Ген хранит информацию о последовательности аминокислот в белке.
• Транскрипция — переписывание информации с ДНК на иРНК.
• Трансляция — перевод последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот.
• Кодон состоит из трёх нуклеотидов и соответствует аминокислоте или сигналу остановки.
• тРНК доставляет аминокислоты к рибосоме и распознаёт кодоны антикодонами.
• Биосинтез белка включает транскрипцию и трансляцию.
• Изменение ДНК может изменить структуру и функцию белка, но не каждая замена нуклеотида приводит к такому изменению.