Биосинтез белка

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.

ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.

Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.

Участок хромосомы, где расположен ген называют локусом. Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип, совокупность генов гаплоидного набора хромосом — геном, совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон.

Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации, выступают РНК, т.е. реализация генетической информации происходит следующим образом:

ДНК → РНК → белок

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки. Такой отрезок (транскриптон) начинается промотором (участок ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция) и заканчивается терминатором (участок ДНК, содержащий сигнал окончания транскрипции). Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.

Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе трансляции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.

Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей. Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов) и не кодирующих (интронов) участков. После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника пре-мРНК.

Он включает два основных события:

  1. присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции;
  2. сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз.

Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК:

  • мРНК служит информационной матрицей;
  • тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны;
  • рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК;
  • тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом называются полирибосомами (полисомами). На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия четырех АТФ.

Генетический код

Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка. Определенному сочетанию нуклеотидов ДНК, а следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипептидной цепи белка. Это соответствие называют генетическим кодом. Одну аминокислоту определяют три нуклеотида, объединенных в триплет (кодон). Поскольку существуют четыре типа нуклеотидов, объединяясь по три в триплет, они дают 43 = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них три являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 — кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.

Аминокислоты, входящие в состав природных белков
№ п/п Аминокислота Сокращенное название
1 Аланин Ала
2 Аргинин Арг
3 Аспарагин Асн
4 Аспарагиновая кислота Асп
5 Валин Вал
6 Гистидин Гис
7 Глицин Гли
8 Глутамин Глн
9 Глутаминовая кислота Глу
10 Изолейцин Иле
11 Лейцин Лей
12 Лизин Лиз
13 Метионин Мет
14 Пролин Про
15 Серин Сер
16 Тирозин Тир
17 Треонин Тре
18 Триптофан Три
19 Фенилаланин Фен
20 Цистеин Цис
Генетический код
Первое основание Второе основание Третье основание
У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
У(А) Фен Сер Тир Цис У(А)
Фен Сер Тир Цис Ц(Г)
Лей Сер Стоп Стоп А(Т)
Лей Сер Стоп Три Г(Ц)
Ц(Г) Лей Про Гис Арг У(А)
Лей Про Гис Арг Ц(Г)
Лей Про Глн Арг А(Т)
Лей Про Глн Арг Г(Ц)
А(Т) Иле Тре Асн Сер У(А)
Иле Тре Асн Сер Ц(Г)
Иле Тре Лиз Арг А(Т)
Мет Тре Лиз Арг Г(Ц)
Г(Ц) Вал Ала Асп Гли У(А)
Вал Ала Асп Гли Ц(Г)
Вал Ала Глу Гли А(Т)
Вал Ала Глу Гли Г(Ц)

Примечания:

  1. Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном.
  2. На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.
  3. Азотистые основания вне скобок входят в состав мРНК, азотистые основания в скобках — в состав ДНК.

Свойства генетического кода:

  1. код триплетен — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеиновой кислоты;
  2. код универсален — все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код;
  3. код однозначен (специфичен) — триплет соответствует одной единственной аминокислоте.
  4. код избыточен — одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом;
  5. код не перекрывается — один нуклеотид не может входить в состав сразу нескольких кодонов в цепи нуклеиновой кислоты;
  6. код колинеарен — последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов вмРНК.

Этапы трансляции

Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

  1. Инициация — сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет-тРНК, а затем с мРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
  2. Элонгация — удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
  3. Терминация — завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов мРНК, а так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мРНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза

К реакциям матричного синтеза относят:

  • самоудвоение ДНК (репликация);
  • образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
  • биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. На реакциях матричного синтеза основана способность живых организмов к воспроизведению себе подобных.

Регуляция экспрессии генов

Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, т.е. дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют еще и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Обновлено: 19.10.2014 — 4:52 пп