§ 10. Биосинтез белков в живой клетке

Определения и обозначения

Биосинтез белка — образование белковой молекулы на основе информации, записанной в гене. Ген — участок ДНК, содержащий инструкции для создания белка. Биосинтез нужен клетке, чтобы получать белки с определённым составом и строением, а значит — с нужными ей свойствами и функциями.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Матрицей служит одна цепь ДНК, а нуклеотиды РНК подбираются к ней комплементарно: А соединяется с У, а Г — с Ц; напротив Т ДНК в РНК встаёт А. Этот этап переносит запись гена в форму, которую затем считывает рибосома.

Трансляция — сборка белка на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК. Кодон — группа из трёх последовательных нуклеотидов мРНК, которая задаёт аминокислоту или сигнал начала либо окончания сборки. Благодаря трансляции запись в нуклеотидах превращается в цепь аминокислот.

Генетический код — способ записи последовательности аминокислот белка последовательностью нуклеотидов. Код триплетный: один кодон содержит три нуклеотида; он однозначен, поскольку каждый кодон обозначает только одну аминокислоту или сигнал, но вырожден, поскольку одну аминокислоту могут обозначать разные кодоны. Код почти универсален для организмов, а понимание кодонов позволяет определить последовательность белка по мРНК.

Как это устроено

Информация о первичной структуре белка — порядке аминокислот в цепи — хранится в последовательности нуклеотидов гена ДНК. Однако сама ДНК обычно не подходит к месту сборки белка: у эукариот она остаётся в ядре, а рибосомы работают в цитоплазме. Поэтому между геном и рибосомой нужен переносчик информации — матричная РНК. Она несёт копию записи, не перемещая сам ген из ядра.

Во время транскрипции ферменты используют одну цепь ДНК как матрицу и присоединяют к ней комплементарные нуклеотиды РНК. Комплементарность помогает точно переписать порядок оснований: напротив аденина ДНК встаёт урацил, напротив тимина — аденин, а гуанин и цитозин соответствуют друг другу. Транскрибируется одна цепь данного гена, потому что последовательность второй цепи не служит матрицей для этой копии. Урацил занимает в РНК место тимина, которого в её составе нет.

У эукариот только что образовавшаяся мРНК ещё не сразу готова к работе. В ядре она проходит обработку: некоторые участки удаляются, а оставшиеся соединяются, чтобы сформировалась последовательность, пригодная для считывания. Затем зрелая мРНК выходит через ядерные поры в цитоплазму и связывается с рибосомой. Такая последовательность действий позволяет доставить инструкцию туда, где к ней могут присоединяться участники синтеза.

На рибосоме начинается трансляция: она движется вдоль мРНК и считывает её последовательно по три нуклеотида. Каждая тРНК несёт аминокислоту и имеет участок из трёх нуклеотидов — антикодон, комплементарный соответствующему кодону мРНК. Когда кодон и антикодон подходят друг к другу, нужная аминокислота оказывается у рибосомы. Так порядок кодонов определяет порядок доставляемых аминокислот.

Аминокислоты соединяются связями в растущую цепь, и последовательность их соединения зависит от записи в мРНК. Обычно синтез начинается со старт-кодона AUG, который задаёт начало считывания и кодирует аминокислоту метионин. Когда рибосома доходит до одного из стоп-кодонов, соответствующей аминокислоты не поступает и сборка прекращается. Готовая цепь отделяется, а рибосома может участвовать в новых циклах синтеза.

Этапы биосинтеза белка

Чтобы сравнить этапы, сначала посмотри на их матрицы и продукты: транскрипция создаёт РНК, а трансляция — аминокислотную цепь. Строки о месте и участниках показывают, почему этапы проходят в разных частях клетки и требуют разных молекул. Последняя строка помогает не путать копирование по принципу комплементарности со считыванием кодонов.

Разбор задач

Задача 1. Дана кодирующая цепь ДНК: 5′-ATG GCT TAA-3′. Запишите последовательность матричной РНК.

1. Определяем тип цепи: в условии дана кодирующая цепь, а не та цепь ДНК, которая служит матрицей при транскрипции. Поэтому последовательность мРНК будет соответствовать кодирующей цепи по порядку оснований.

2. Заменяем в записи ДНК тимин T на урацил U, которого в РНК место тимина. Остальные буквы и порядок триплетов сохраняем: ATG становится AUG, GCT — GCU, TAA — UAA.

3. Собираем результат, оставляя направление записи 5′→3′. Это важно: здесь не нужно переворачивать последовательность или подбирать комплементарные основания к кодирующей цепи.

Ответ: 5′-AUG GCU UAA-3′.

Задача 2. Для матричной РНК 5′-AUG GCU UAA-3′ определите последовательность аминокислот, используя таблицу генетического кода.

1. Разделяем запись на триплеты, потому что рибосома считывает мРНК кодон за кодоном: AUG | GCU | UAA. В данном фрагменте последовательность уже записана с начала считывания.

2. По таблице генетического кода находим значение каждого кодона: AUG кодирует метионин, GCU — аланин. Следовательно, после двух кодонов аминокислотная цепь содержит метионин и аланин.

3. Проверяем последний триплет UAA: это стоп-кодон. Он завершает синтез, поэтому не добавляет к цепи ещё одну аминокислоту.

Ответ: метионин — аланин; затем трансляция останавливается.

Задача 3. В фрагменте кодирующей цепи ДНК 5′-ATG GCT CAA TGA-3′ второй кодон изменился с GCT на GCC. Запишите исходную и изменённую последовательности матричной РНК и объясните, изменится ли белок.

1. Так как дана кодирующая цепь ДНК, для получения последовательности мРНК сохраняем порядок оснований и заменяем T на U. Исходная запись после такой замены будет AUG GCU CAA UGA.

2. В изменённой ДНК второй кодон GCC также переносится в мРНК с заменой T на U, но в нём тимина нет. Поэтому изменённая мРНК имеет вид AUG GCC CAA UGA.

3. Сравниваем второй кодон мРНК: GCU и GCC оба кодируют аланин. Остальные кодоны не менялись, значит, при таком изменении последовательность аминокислот остаётся прежней.

Ответ: исходная мРНК — 5′-AUG GCU CAA UGA-3′; изменённая — 5′-AUG GCC CAA UGA-3′. Белок не изменится: оба варианта второго кодона задают аланин.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при транскрипции копируются обе цепи ДНК. Так могут рассуждать, потому что молекула ДНК состоит из двух цепей, но для данного гена матрицей служит только одна. Проверка: уточни, какая цепь указана в условии, и не записывай две разные РНК с одного гена.

Ошибка — записывать в РНК тимин или подбирать нуклеотиды без учёта комплементарности. Причина — смешение правил для ДНК и РНК либо путаница между матричной и кодирующей цепями. Проверка: сначала определи, какая цепь дана, затем используй правило для неё; в РНК вместо T всегда стоит U.

Ошибка — путать кодон мРНК с антикодоном тРНК. Оба участка состоят из трёх нуклеотидов, поэтому их легко принять за одно и то же, хотя они находятся на разных молекулах и соответствуют друг другу комплементарно. Проверка: кодон ищи на мРНК, а антикодон — на тРНК, которая приносит аминокислоту.

Ошибка — считать, что каждый кодон обозначает аминокислоту. Это неверно, потому что стоп-кодоны подают сигнал о завершении трансляции, а не задают аминокислоту. Проверка: при разборе последовательности сверяй каждый триплет с таблицей кода и отдельно отмечай стоп-сигнал.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, различиях между их нуклеотидами и принципе комплементарности. Например, именно различие оснований объясняет, почему в РНК вместо тимина находится урацил. Связь гена с белком помогает понять, как наследственная информация влияет на признаки организма.

Эта тема также подготавливает к изучению мутаций и регуляции работы генов. Изменение нуклеотидов может повлиять на кодон и, иногда, на аминокислотную последовательность белка. Регуляция генов объясняет, почему клетка производит разные белки не постоянно, а в соответствии со своими потребностями.

Что запомнить

• Информация о белке записана в последовательности нуклеотидов гена.
• При транскрипции на матрице ДНК образуется РНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• Трансляция происходит на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК.
• Каждый кодон состоит из трёх нуклеотидов.
• Транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосоме.
• Стоп-кодон завершает трансляцию и не кодирует аминокислоту.