§ 23. Биосинтез белка

Определения и обозначения

Биосинтез белка — процесс образования белка на основе информации, записанной в гене. Ген задаёт порядок нуклеотидов, а этот порядок в итоге определяет порядок аминокислот. Поэтому биосинтез связывает наследственную информацию ДНК со строением и свойствами белка.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. Фермент РНК-полимераза подбирает к нуклеотидам матрицы комплементарные нуклеотиды РНК. Этот этап нужен, чтобы перенести информацию от ДНК к рибосоме, не доставляя саму ДНК к месту сборки белка.

Трансляция — сборка полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома сопоставляет кодоны с аминокислотами, которые приносят молекулы тРНК. В результате язык нуклеотидов переводится в язык последовательности аминокислот.

Генетический код — соответствие между триплетами нуклеотидов иРНК и аминокислотами. Каждый триплет называют кодоном; отдельные кодоны обозначают начало или завершение считывания. Знание кода позволяет по последовательности иРНК определить состав будущего белка.

Как это устроено

Информация движется по пути ДНК → иРНК → белок. Сначала порядок нуклеотидов гена переписывается в РНК, а затем последовательность кодонов иРНК задаёт порядок аминокислот. Такой механизм позволяет сохранять ДНК и использовать её информацию многократно, создавая разные молекулы белка.

При транскрипции РНК-полимераза присоединяется к нужному участку ДНК и раздвигает две цепи. Матрицей служит только одна цепь: по её нуклеотидам фермент строит комплементарную РНК. В РНК напротив аденина записывается урацил, поэтому в ней нет тимина, характерного для ДНК.

После обработки у эукариот зрелая иРНК выходит из ядра и достигает рибосомы в цитоплазме. Рибосома начинает работу со старт-кодона АУГ, потому что он задаёт начало рамки считывания. Далее она последовательно читает иРНК по три нуклеотида, а каждый такой триплет является отдельным кодоном.

тРНК доставляет к рибосоме определённую аминокислоту и распознаёт кодон своим антикодоном. Антикодон комплементарен кодону, поэтому подходящая тРНК временно связывается с иРНК. Специальный фермент присоединяет к каждой тРНК именно ту аминокислоту, которая соответствует её антикодону.

Рибосома соединяет соседние аминокислоты пептидными связями и перемещается вдоль иРНК. Так растёт полипептидная цепь, пока не встретится стоп-кодон УАА, УАГ или УГА. Он не кодирует аминокислоту: после его распознавания цепь отделяется, а её последовательность становится основой первичной структуры белка.

Сравнение этапов биосинтеза белка

Таблица помогает не смешивать два последовательных этапа: сначала создаётся информационная копия, затем по ней собирается белок. Для решения задачи сначала определите, какая молекула дана и какая цепь ДНК используется. После этого выберите правило: комплементарность для транскрипции или генетический код для трансляции.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в участке кодирующей цепи ДНК дана последовательность АТГ–ГЦЦ–ТТА. Запишите соответствующие триплеты иРНК.

1. Кодирующая цепь имеет почти такую же последовательность, как иРНК, потому что матричной для транскрипции является противоположная цепь.
2. Заменяем в записи ДНК тимин Т на урацил У: АТГ становится АУГ, ГЦЦ не меняется, а ТТА превращается в УУА.
3. Объединяем полученные триплеты в последовательность иРНК.

Ответ: АУГ–ГЦЦ–УУА.

Задача 2

Условие: фрагмент иРНК имеет последовательность АУГ–ГГУ–УАА. Сколько аминокислот включится в полипептид и почему?

1. Разделение уже выполнено: перед нами три кодона — АУГ, ГГУ и УАА.
2. АУГ — старт-кодон, который кодирует метионин, а ГГУ кодирует глицин.
3. УАА — стоп-кодон, поэтому он завершает трансляцию и не добавляет аминокислоту.

Ответ: в полипептид включатся две аминокислоты: метионин и глицин.

Задача 3

Условие: для фрагмента матричной цепи ДНК ТАЦ–ЦЦА–АТТ определите иРНК и аминокислоты.

1. Строим иРНК по принципу комплементарности: Т–А, А–У, Ц–Г, Г–Ц. Получаем АУГ–ГГУ–УАА.
2. Считываем кодоны с начала: АУГ соответствует метионину, ГГУ — глицину.
3. Последний триплет УАА является стоп-кодоном и аминокислоту не кодирует.

Ответ: иРНК АУГ–ГГУ–УАА; в белок включатся метионин и глицин.

Типичные ошибки

Путают матричную и кодирующую цепи ДНК. Ошибка возникает потому, что обе цепи входят в одну молекулу ДНК. Проверяйте себя так: иРНК комплементарна матричной цепи, а кодирующей соответствует с заменой Т на У.

Считают кодон и антикодон участками одной молекулы. Кодон расположен на иРНК, а антикодон — на тРНК; их временное связывание обеспечивает точный выбор аминокислоты. Для проверки назовите молекулу, на которой находится каждый триплет.

Принимают стоп-кодон за кодон аминокислоты. Это происходит из-за того, что стоп-кодон тоже состоит из трёх нуклеотидов. Сверьте триплет с таблицей генетического кода и помните: УАА, УАГ и УГА останавливают трансляцию.

Полагают, что один нуклеотид кодирует одну аминокислоту. Генетический код читается триплетами, поэтому удаление или добавление одного нуклеотида может сдвинуть рамку считывания. Перепроверьте, разделена ли последовательность на группы ровно по три нуклеотида.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, различиях их нуклеотидов и правилах комплементарности. Также пригодятся представления о гене, хромосомах и наследственной информации, а при решении задач — умение пользоваться таблицей генетического кода. Тема напрямую связана с мутациями: изменение ДНК может изменить кодоны иРНК, состав белка и его свойства.

Что запомнить

• Биосинтез белка включает транскрипцию и трансляцию.
• При транскрипции матрицей служит одна цепь ДНК.
• В иРНК вместо тимина содержится урацил.
• Рибосома считывает иРНК по три нуклеотида — кодонами.
• тРНК доставляет аминокислоты и распознаёт кодоны антикодоном.
• Старт-кодон задаёт начало считывания, стоп-кодон — его завершение.
• Последовательность аминокислот определяет первичную структуру белка.