Синтез белков в клетке.

Определения и обозначения

Генетический код — соответствие между последовательностью нуклеотидов и аминокислотами белка. Он триплетный: три нуклеотида образуют кодон и задают одну аминокислоту или сигнал. Код почти универсален, то есть у большинства организмов одинаковые кодоны означают одинаковые аминокислоты. Это соответствие позволяет клеткам переводить запись в ДНК в последовательность белковых компонентов.

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на одной из цепей ДНК, которая называется матричной. Нуклеотиды иРНК подбираются к ней по правилу комплементарности, поэтому последовательности двух цепей дополняют друг друга. Полученная копия нужна, чтобы доставить информацию от гена к месту сборки белка. В РНК вместо тимина используется урацил.

Трансляция — сборка белковой цепи на рибосоме по последовательности кодонов иРНК. Рибосома сопоставляет каждый кодон с аминокислотой и помогает соединить аминокислоты в заданном порядке. Так клетка переводит «язык» нуклеотидов в «язык» белка. Порядок аминокислот важен для строения будущего белка.

Кодон — три последовательных нуклеотида иРНК, задающих аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза. Рибосома считывает иРНК именно такими тройками, а не по одному нуклеотиду. Это деление позволяет однозначно сопоставлять участки иРНК с аминокислотами. Стоп-кодон обозначает завершение процесса и сам аминокислоту не задаёт.

Как это устроено

Информация о строении белка хранится в гене — участке ДНК с определённой последовательностью нуклеотидов. ДНК служит надёжным хранилищем, поэтому клетка не использует её непосредственно для сборки каждой белковой молекулы. Вместо этого с нужного участка создаётся рабочая копия — иРНК. Так информация может быть передана к рибосоме, где находятся инструменты синтеза.

Во время транскрипции фермент РНК-полимераза считывает одну цепь ДНК и присоединяет к ней комплементарные нуклеотиды РНК. Например, напротив аденина ДНК в иРНК оказывается урацил, а напротив тимина — аденин; пары гуанин—цитозин также сохраняются. Поэтому последовательность иРНК дополняет именно матричную цепь. У эукариот готовая иРНК выходит из ядра в цитоплазму, где расположены рибосомы.

Рибосома связывается с иРНК и начинает считывать её со старт-кодона. Затем она движется вдоль молекулы и разбирает последовательность на неперекрывающиеся группы по три нуклеотида. Каждый кодон соответствует аминокислоте или стоп-сигналу. Начало считывания задаёт рамку, поэтому сдвиг на один нуклеотид изменил бы состав всех последующих троек.

Аминокислоты к рибосоме доставляют молекулы тРНК. У каждой тРНК есть антикодон — три нуклеотида, которые комплементарны определённому кодону иРНК. Когда кодон и антикодон подходят друг другу, нужная аминокислота оказывается рядом с растущей цепью. Рибосома соединяет её с предыдущими аминокислотами, и цепь постепенно удлиняется.

Когда рибосома достигает стоп-кодона, подходящей аминокислоты для него нет и сборка прекращается. Готовая белковая цепь отделяется от рибосомы, после чего она может приобрести окончательную форму. Рибосома и иРНК способны участвовать в новых циклах синтеза. Стоп-сигнал тем самым помогает завершить цепь в нужном месте, а не продолжать её бесконечно.

Два этапа реализации наследственной информации

В таблице сравниваются транскрипция и трансляция: их матрицы, участники и продукты. При решении задач сначала определите, о каком этапе идёт речь, а затем выберите соответствующие правила. Так проще не перепутать комплементарность нуклеотидов при транскрипции с чтением кодонов при трансляции.

Разбор задач

Задача 1. В матричной цепи ДНК записана последовательность А-Т-Г-Ц-Ц-А. Определите последовательность иРНК, синтезированной на её основе.

1. Записываем исходную цепь как матричную: А-Т-Г-Ц-Ц-А.
2. Подбираем к каждому нуклеотиду комплементарный нуклеотид РНК: напротив А ставим У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г.
3. Проверяем, что в ответе есть урацил, а тимина нет, поскольку речь идёт об РНК.

Ответ: иРНК — У-А-Ц-Г-Г-У.

Задача 2. Фрагмент иРНК имеет последовательность АУГ-ГЦУ-УУУ-УАА. По таблице генетического кода определите, сколько аминокислот будет в образовавшейся цепи.

1. Последовательность уже разделена на кодоны: АУГ, ГЦУ, УУУ и УАА.
2. АУГ — старт-кодон; он обозначает начало считывания и задаёт аминокислоту. Далее рибосома считывает кодоны ГЦУ и УУУ, каждый из которых соответствует аминокислоте.
3. УАА — стоп-кодон: он завершает трансляцию, но аминокислотой не является. Поэтому считаем аминокислоты, заданные кодонами до стоп-сигнала, включая стартовый кодон.

Ответ: в цепи будет 3 аминокислоты.

Задача 3. В кодоне иРНК третий нуклеотид заменился, и кодон стал другим. Объясните, как определить, изменится ли аминокислота в белке.

1. Записываем исходный кодон и новый кодон, отличающийся третьим нуклеотидом.
2. Находим оба триплета в таблице генетического кода и сравниваем, какие аминокислоты они задают. Разные кодоны могут соответствовать одной аминокислоте.
3. Если аминокислоты совпадают, замена не меняет этот участок белка. Если новый кодон задаёт другую аминокислоту или стоп-сигнал, результат синтеза может измениться.

Ответ: сравнить кодоны по таблице; без их точных последовательностей нельзя установить, изменится ли аминокислота.

Типичные ошибки

Путают матричную цепь ДНК с кодирующей и считают, что иРНК комплементарна любой из них. Ошибка возникает из-за того, что в задаче могут быть указаны разные цепи. иРНК комплементарна матричной, а с кодирующей совпадает почти полностью, кроме замены тимина на урацил. Перед записью ответа проверьте, какая цепь названа в условии.

Записывают тимин в составе РНК, перенося в неё обозначения ДНК. В РНК тимина нет: его место занимает урацил. Такая путаница часто появляется при механическом применении правила комплементарности. Проверьте, что последовательность иРНК содержит букву У, а не Т.

Считывают иРНК по одному или по два нуклеотида, хотя генетический код читается триплетами. Ошибку допускают, если не разделить последовательность на кодоны до поиска аминокислот. Кодоны идут подряд и не перекрываются: после трёх нуклеотидов начинается следующая тройка. Для самопроверки расставьте границы между кодонами от стартового участка.

Считают стоп-кодон аминокислотой и включают его в длину белковой цепи. Причина ошибки — стоп-кодон выглядит так же, как остальные триплеты, но выполняет другую функцию. Он сообщает рибосоме, что синтез надо прекратить, и не задаёт аминокислоту. При подсчёте отделяйте кодоны, соответствующие аминокислотам, от стоп-сигнала.

Связь с другими темами

Для понимания синтеза белка нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотида и правилах комплементарности. Также важно различать ДНК, иРНК и тРНК: они имеют общие черты, но выполняют разные задачи. Эти знания помогают правильно составлять иРНК и объяснять, как она взаимодействует с рибосомой.

Тема связана с наследственностью и мутациями. Если меняется последовательность нуклеотидов ДНК, может измениться иРНК, а затем — аминокислотный состав белка. Однако не каждая замена обязательно меняет белок: разные кодоны могут задавать одну аминокислоту. Поэтому последствия изменения оценивают по генетическому коду.

Что запомнить

• Информация о первичной структуре белка записана в последовательности нуклеотидов гена.
• Транскрипция — перенос информации с ДНК на иРНК.
• Трансляция происходит на рибосоме по последовательности иРНК.
• Один кодон состоит из трёх нуклеотидов.
• тРНК доставляет аминокислоты и распознаёт кодоны антикодонами.
• Стоп-кодон завершает трансляцию, но не задаёт аминокислоту.