3. Пластический обмен. Биосинтез белков

Определения и обозначения

Пластический обмен — совокупность реакций, в которых из более простых веществ синтезируются сложные, причём клетка затрачивает энергию. Благодаря этому обмену клетка растёт, обновляет свои структуры и создаёт нужные ей молекулы. Например, при биосинтезе белка аминокислоты соединяются в цепь. Значит, пластический обмен не просто изменяет вещества, а помогает клетке строить собственные части.

Биосинтез белка — образование белковых молекул на основе наследственной информации, записанной в ДНК. Эта информация определяет порядок аминокислот в белке, а порядок влияет на его свойства. Поэтому клетка может создавать белки с разным строением и функциями. Биосинтез позволяет использовать записанную в генах инструкцию для построения молекул.

Транскрипция — синтез молекулы иРНК на участке ДНК, который несёт информацию о белке. Буква «и» означает «информационная»: эта РНК получает копию нужной инструкции. Она необходима, чтобы передать сведения от ДНК к месту сборки белка. При этом иРНК строится по принципу комплементарности нуклеотидов.

Трансляция — синтез белка на рибосоме по последовательности нуклеотидов иРНК. Рибосома считывает её участками по три нуклеотида, а тРНК приносят соответствующие аминокислоты. Так инструкция, записанная в виде последовательности нуклеотидов, превращается в последовательность аминокислот. Термин «трансляция» можно понимать как перевод с языка нуклеотидов на язык белка.

Как это устроено

Пластический и энергетический обмен связаны между собой: синтез сложных молекул требует затрат энергии, а реакции энергетического обмена её высвобождают. Без этого источника клетка не смогла бы эффективно соединять небольшие молекулы в крупные. Полученная энергия используется не только для сборки белков, но и для других процессов построения. Поэтому обмен веществ включает и распад с выделением энергии, и синтез с её затратой.

Инструкция к белку заключена в порядке нуклеотидов ДНК. Нуклеотиды образуют определённые сочетания, и участки такой последовательности соответствуют информации о строении белка. Но рибосома собирает белок не прямо по ДНК: информация сначала переписывается на иРНК. Благодаря этому нужный участок инструкции можно доставить к рибосоме, не перемещая саму ДНК.

Во время транскрипции на одной цепи ДНК — матричной — собирается комплементарная ей иРНК. Комплементарность означает соответствие оснований: А соединяется с У в РНК, Т — с А, Г — с Ц, а Ц — с Г. Поэтому иРНК не является буквальной копией матричной цепи: её последовательность строится по правилам пар оснований, а вместо тимина в ней находится урацил. Затем иРНК переносит информацию к рибосоме в цитоплазме.

При трансляции рибосома связывается с иРНК и последовательно считывает её кодоны — группы по три нуклеотида. Каждому кодону соответствует аминокислота или сигнал остановки сборки. Транспортная РНК (тРНК) связывает определённую аминокислоту и доставляет её к рибосоме; её антикодон подходит к кодону иРНК. Такое соответствие помогает включать в растущую цепь именно нужные аминокислоты.

Рибосома соединяет поступившие аминокислоты в заданной последовательности, образуя полипептидную цепь. Порядок аминокислот определяется порядком кодонов в иРНК, а тот, в свою очередь, зависит от информации ДНК. Затем цепь принимает определённую пространственную форму и становится белком с характерными свойствами. Поэтому изменение последовательности в гене может привести к изменению белка.

Этапы биосинтеза белка

Сравнивай этапы по исходной матрице и результату: это самый быстрый способ отличить транскрипцию от трансляции. В таблице указаны места процессов в клетке; для некоторых клеток и условий расположение может отличаться. Главное различие сохраняется: ДНК служит матрицей для иРНК, а иРНК — для сборки белка.

Разбор задач

Задача 1. Укажите процесс, при котором на основе участка ДНК появляется иРНК, и назовите продукт процесса. Сначала определим, какая молекула служит исходной матрицей: в условии это ДНК. Затем сопоставим её с этапами биосинтеза: ДНК считывается при транскрипции, а рибосома использует иРНК при трансляции. Следовательно, требуется назвать транскрипцию, а не сборку белка.

1. Определяем исходную молекулу: участок ДНК.
2. Находим процесс, в котором информация переписывается с ДНК: это транскрипция.
3. Называем продукт: молекула иРНК.

Ответ: транскрипция; её продукт — иРНК. Проверка: при трансляции исходной матрицей служит уже иРНК, а результатом становится полипептидная цепь. Такая проверка помогает не путать названия этапов.

Задача 2. В участке иРНК записаны кодоны: АУГ–ГЦА–УУУ–ГГА–УАА. Сколько аминокислот войдёт в полипептид, если АУГ — начало считывания, а УАА — стоп-кодон? Не нужно считать отдельные нуклеотиды: аминокислоте соответствует кодон из трёх букв. Стоп-кодон обозначает завершение синтеза и сам аминокислоту не кодирует. Поэтому считаем смысловые кодоны до сигнала остановки.

1. Разделяем последовательность на триплеты: АУГ, ГЦА, УУУ, ГГА, УАА.
2. Учитываем начало считывания с АУГ и выделяем кодоны, стоящие до стоп-кодона: АУГ, ГЦА, УУУ, ГГА.
3. Не включаем УАА в подсчёт, потому что это сигнал остановки, а не кодон аминокислоты.

Ответ: в полипептид войдут 4 аминокислоты. Проверка: до стоп-сигнала получилось четыре кодона, и каждый из них задаёт одну аминокислоту. Если бы стоп-кодон ошибочно посчитали, результат оказался бы завышенным.

Задача 3. Дана кодирующая цепь ДНК: 5′–АТГ–ГЦТ–ТТТ–ТГА–3′. Постройте последовательность иРНК, а затем определите последовательность аминокислот по таблице генетического кода. Сначала нужно понять, что кодирующая цепь совпадает с иРНК по последовательности, если в РНК заменить тимин на урацил. После этого кодоны иРНК можно найти в таблице генетического кода. Последний триплет следует проверить: он может оказаться стоп-сигналом.

1. Переписываем кодирующую цепь ДНК, заменяя каждую Т на У: АУГ–ГЦУ–УУУ–УГА.
2. Разбиваем иРНК на кодоны и находим их в таблице генетического кода: АУГ — метионин, ГЦУ — аланин, УУУ — фенилаланин.
3. Проверяем последний кодон УГА: это стоп-кодон, поэтому он завершает синтез и не добавляет аминокислоту.

Ответ: иРНК — АУГ–ГЦУ–УУУ–УГА; аминокислотная последовательность — метионин–аланин–фенилаланин. Если в условии дана матричная, а не кодирующая цепь ДНК, одной замены Т на У недостаточно: сначала необходимо построить комплементарную иРНК. Поэтому тип цепи в условии всегда проверяют до записи ответа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что белок синтезируется непосредственно на ДНК. Обычно сначала создаётся иРНК, которая переносит информацию к рибосоме, поэтому ДНК не выступает матрицей для сборки белка на рибосоме. Такое представление возникает, если пропустить промежуточный этап. Проверь себя вопросом: что именно считывает рибосома? Ответ — иРНК.

Ошибка: путать транскрипцию и трансляцию. Названия похожи, но продукты разные: транскрипция даёт иРНК по матрице ДНК, трансляция — белковую цепь по иРНК. Путаница часто появляется, когда процессы учат только по словам. Чтобы проверить себя, назови для каждого процесса матрицу и результат.

Ошибка: считать, что один нуклеотид кодирует одну аминокислоту. Код генетической информации читается триплетами, поэтому единицей считывания является кодон из трёх нуклеотидов. Ошибку допускают, если не делят последовательность на группы перед подсчётом. Самопроверка проста: расставь пробелы между каждым третьим нуклеотидом и отдельно отметь стоп-кодон.

Ошибка: копировать последовательность ДНК в иРНК без учёта комплементарности. При транскрипции основания подбираются по парам, а в РНК вместо тимина используется урацил. Такое буквальное копирование возможно только при переходе от кодирующей цепи к иРНК и с заменой Т на У. Проверь тип цепи в условии и для матричной цепи обязательно составь комплементарную последовательность.

Связь с другими темами

Для понимания биосинтеза белка нужно знать строение ДНК и РНК, различия между ними и принцип комплементарности нуклеотидов. Также понадобятся сведения о клетке, ядре, цитоплазме, рибосомах и о том, что белки состоят из аминокислот. Позже эти знания помогут разобраться в генах, наследственности и изменчивости. Они объясняют, почему мутации — изменения наследственной информации — могут повлиять на строение белка и признаки организма.

Что запомнить

• Пластический обмен создаёт сложные вещества из более простых и требует затрат энергии.
• Наследственная информация о белке записана в последовательности нуклеотидов ДНК.
• При транскрипции на матрице ДНК синтезируется иРНК.
• При трансляции рибосома считывает кодоны иРНК.
• Каждому кодону соответствует аминокислота или сигнал остановки синтеза.
• Порядок аминокислот в белке определяется последовательностью кодонов иРНК.