§ 33. Биосинтез белков. Трансляция

Определения и обозначения

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК. Полипептид — цепь аминокислот, из которой формируется белок. Это понятие нужно, чтобы отличать перевод генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Кодон — три последовательных нуклеотида мРНК, которые задают аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза. Например, AUG обычно служит стартовым кодоном, а UAA, UAG и UGA прекращают трансляцию. Кодоны позволяют читать мРНК небольшими последовательными «словами».

Антикодон — три нуклеотида тРНК, комплементарные кодону мРНК. Благодаря этому соответствию тРНК распознаёт нужное место на мРНК и доставляет аминокислоту. Кодон и антикодон находятся на разных молекулах, поэтому их нельзя считать одним и тем же обозначением.

Полисома — комплекс из одной молекулы мРНК и нескольких рибосом, одновременно синтезирующих полипептиды. Каждая рибосома движется по той же мРНК и собирает отдельную цепь. Полисома ускоряет получение большого количества одинакового белка из одной генетической инструкции.

Как это устроено

Матрицей для трансляции служит мРНК, образовавшаяся при транскрипции. Она переносит копию информации от гена к рибосоме, поэтому исходная ДНК не должна постоянно находиться в месте синтеза белка. Рибосома читает кодоны последовательно, от 5′-конца мРНК к 3′-концу, и именно это направление задаёт порядок аминокислот в цепи.

Каждая тРНК переносит определённую аминокислоту и имеет антикодон. Когда антикодон комплементарно соединяется с кодоном мРНК, в рибосому попадает нужная аминокислота, а не случайная. Такое распознавание необходимо, потому что последовательность аминокислот должна точно соответствовать информации гена.

Рибосома связывает мРНК и тРНК и удерживает их в правильном положении. Это сближает аминокислоты и создаёт условия для образования пептидной связи между ними. В результате растущая полипептидная цепь постепенно удлиняется и остаётся связанной с одной из тРНК до следующего шага.

На этапе инициации рибосома распознаёт стартовый кодон, обычно AUG, и присоединяет стартовую тРНК. Так определяется начало чтения и рамка считывания: далее нуклеотиды группируются по три без смещения. При элонгации рибосома перемещается по мРНК, новые тРНК приносят аминокислоты, а цепь последовательно удлиняется.

Терминация начинается, когда рибосома достигает стоп-кодона. Для него нет тРНК с аминокислотой, поэтому специальные факторы вызывают освобождение полипептида и разборку комплекса. На одной мРНК могут одновременно находиться несколько рибосом, поскольку каждая из них считывает уже доступный участок и синтезирует собственную копию цепи.

Этапы трансляции

Таблица показывает, в каком порядке происходят основные события трансляции. При разборе схемы сначала находят начало чтения, затем отслеживают повторяющийся цикл присоединения аминокислот и в конце ищут сигнал остановки. Отдельно проверяйте участников процесса: мРНК задаёт последовательность, тРНК переносит аминокислоты, а рибосома координирует сборку.

Разбор задач

Задача 1

Участок мРНК имеет последовательность 5′-AUG-GCU-UAA-3′. Требуется определить число аминокислот в образующемся полипептиде. Последовательность уже записана в направлении считывания, поэтому переставлять её нуклеотиды не нужно.

1. Разделяем мРНК на кодоны: AUG, GCU и UAA.
2. Распознаём AUG как стартовый кодон и учитываем его в составе полипептида.
3. Учитываем GCU как кодон аминокислоты, а UAA рассматриваем только как сигнал остановки.

В цепь входят аминокислоты, заданные кодонами AUG и GCU. Ответ: 2 аминокислоты. Стоп-кодон UAA в это число не включается.

Задача 2

Для фрагмента мРНК 5′-AUG-AAA-GGC-UAG-3′ нужно определить последовательность аминокислот. Для этого используется таблица генетического кода, в которой каждому смысловому кодону соответствует аминокислота. Стоп-кодон завершает запись последовательности и аминокислоту не добавляет.

1. Записываем кодоны по порядку: AUG, AAA, GGC, UAG.
2. Сопоставляем первые три кодона с таблицей: AUG — метионин, AAA — лизин, GGC — глицин.
3. Проверяем последний кодон: UAG является стоп-сигналом, поэтому прекращает трансляцию.

Последовательность полипептида: метионин — лизин — глицин. Ответ можно записать сокращённо как Met—Lys—Gly, если используются международные обозначения аминокислот.

Задача 3

В последовательности мРНК 5′-AUG-AAA-GGC-UAA-3′ третий нуклеотид кодона AAA заменили на G. Нужно выяснить, как это повлияет на полипептид. Сначала важно изменить только указанный нуклеотид, а затем сравнить новый кодон с исходным по генетическому коду.

1. В кодоне AAA третий нуклеотид A заменяем на G и получаем AAG.
2. Сверяем оба кодона с таблицей: AAA и AAG кодируют одну и ту же аминокислоту — лизин.
3. Остальные кодоны не изменились, поэтому начало и окончание трансляции остаются прежними.

Полипептид не изменится по аминокислотной последовательности. Такая замена называется синонимической, потому что разные кодоны могут обозначать одну аминокислоту.

Типичные ошибки

Считывание мРНК не от 5′-конца к 3′-концу меняет порядок кодонов и может изменить весь полипептид. Ошибку допускают, когда воспринимают запись цепи как не имеющую направления. Проверяйте, что первым рассматривается кодон у 5′-конца и что чтение идёт к 3′-концу.

Стоп-кодон иногда принимают за кодон аминокислоты. Это происходит, если механически считают все тройки нуклеотидов, не сверяясь с генетическим кодом. Для проверки найдите UAA, UAG или UGA и исключите такой кодон из аминокислотной последовательности.

Кодон мРНК и антикодон тРНК путают из-за их комплементарности. Однако кодон расположен на мРНК, а антикодон — на тРНК, поэтому последовательности у них не одинаковы. Проверяйте одновременно молекулу и направление записи нуклеотидов.

Неверно считать, что одна тРНК переносит несколько разных аминокислот. Обычно тРНК распознаёт определённые кодоны и переносит соответствующую им аминокислоту. Если в решении одна и та же тРНК получила разные аминокислоты без объяснения, проверьте условие и соответствие антикодона.

Связь с другими темами

Для понимания трансляции нужны знания о строении мРНК и тРНК, принципе комплементарности и устройстве рибосомы. Трансляция продолжает транскрипцию: сначала информация переписывается с ДНК на мРНК, затем переводится в последовательность аминокислот. Вместе эти процессы показывают реализацию наследственной информации, а изучение трансляции помогает объяснять последствия мутаций и причины наследственных заболеваний.

Что запомнить

• Трансляция происходит на рибосомах.
• Информация о последовательности аминокислот считывается с мРНК.
• Кодон состоит из трёх нуклеотидов мРНК.
• Антикодон тРНК комплементарен кодону мРНК.
• Рибосома считывает мРНК в направлении от 5′-конца к 3′-концу.
• Стоп-кодон завершает трансляцию и не кодирует аминокислоту.
• На одной мРНК могут одновременно работать несколько рибосом.