Биосинтез белка
Биосинтез
белка – важнейший этап обмена веществ. Он представляет собой процесс реализации
наследственной информации. Структура белка определяется последовательностью
нуклеотидов в ДНК. Информация о последовательности аминокислот в
молекуле белка находится в участке ДНК, который называется ген.
Процесс синтеза белка происходит с затратой энергии (АТФ) при участии рибосом,
молекул тРНК, иРНК, аминокислот, а также различных
вспомогательных ферментов.
Транскрипция (переписывание) – синтез молекул РНК на матрице одной из цепей ДНК. Процесс идёт по принципу комплементарности с помощью комплекса специальных ферментов. Правило комплементарности при синтезе РНК несколько отличается от данного правила при синтезе ДНК. Напомним правило комплементарности при синтезе ДНК:
А
↔ Т
Г ↔ Ц
В молекулах РНК отсутствует азотистое основание тимин (Т), а вместо него используется азотистое основание урацил (У). Соответственно, правило комплементарности при синтезе РНК на основе матрицы ДНК будет выглядеть следующим образом:
ДНК РНК
А
→ У
Т
→ А
Г
→ Ц
Ц
→ Г
Правило комплементарности при синтезе РНК на основе матрицы
РНК:
А
↔ У
Г
↔ Ц
NB! Транскрипция – это синтез любых молекул РНК на основе матрицы ДНК. В ходе транскрипции образуются молекулы иРНК, тРНК, рРНК.
В ходе транскрипции образуется рРНК (рибосомальная РНК), которая, соединяясь со множеством белков, формирует малую и большую субъединицы рибосомы. Как упоминалось выше, наличие рибосом – обязательное условие для осуществления биосинтеза белка.
Также в ходе транскрипции образуется иРНК (информационная РНК), её также называют мРНК
(матричная РНК). Матричная РНК
представляет собой длинную цепь нуклеотидов (от нескольких десятков до
нескольких тысяч).
Генетическая информация закодирована в молекуле ДНК с помощью химического кода. В клетках всех живых организмов один и тот же код, в его основе лежит последовательность соединения в ДНК четырёх азотистых оснований (А, Т, Г, Ц). Различные комбинации 3-х соседних нуклеотидов образуют триплеты, называемые в данном случае также кодонами (например, АЦЦ, АЦГ и др.). Кодоном также называют последовательность из трёх нуклеотидов в молекуле иРНК.
В ходе транскрипции образуются молекулы тРНК (транспортные РНК). Транспортные РНК представляют собой небольшие молекулы, состоящие из 70-80 нуклеотидов. Между некоторыми нуклеотидами в молекуле тРНК образуются водородные связи по принципу комплементарности, в результате чего образуется структура, напоминающая по форме крест (или клеверный лист). В молекуле выделяются несколько петель. Наиболее важной является центральная петля, в которой располагается антикодон. Антикодон – три нуклеотида в структуре тРНК, комплементарно соответствующих кодону в молекуле иРНК.

Рис. Схема строения молекулы тРНК.
Второй этап биосинтеза белка называется трансляцией. В ходе трансляции осуществляется сборка цепи аминокислот (белка) на основе матрицы иРНК.
Перед трансляцией молекула тРНК связывается одним своим концом (всегда одним и тем же) с аминокислотой. Эта реакция осуществляется в присутствии специального фермента и происходит с затратой АТФ.
Каждый кодон в молекуле иРНК соответствует синтезу определённой аминокислоты, впрочем, есть кодоны, которые не отвечают за синтез аминокислот, такие кодоны называют стоп-кодонами, или знаками препинания. Стоп-кодон означает, что синтез белка нужно прекратить. Также в любой последовательности иРНК всегда встречается кодон АУГ – это старт-кодон. Кодон АУГ подаёт сигнал о том, что необходимо начать синтез белка.
NB! Помимо того, что кодон АУГ является старт-кодоном, он отвечает за синтез аминокислоты метионина. Поэтому практически все белки начинаются с этой аминокислоты.
Определить, какой кодон отвечает за синтез какой аминокислоты очень просто. В состав всех природных белков входит 20 различных аминокислот, и на сегодняшний день расшифрованы триплеты соответствующие всем 20-ти аминокислотам. Чтобы узнать, какой кодон соответствует данной аминокислоте (и наоборот, какая аминокислота соответствует данному кодону) необходимо воспользоваться таблицей генетического кода.
NB! Язык генетического кода очень простой. В нём нет ни запятых, ни пробелов, ни кавычек, ни многоточий. В нём есть лишь заглавная буква (причём только одна) – это кодон АУГ, который обозначает, что необходимо начать синтезировать белок, а также есть стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА) – точки, они означают, что синтез белка необходимо прекратить.

Прочерками в таблице обозначаются стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА).
NB! В таблице генетического кода указаны кодоны иРНК, а не ДНК или тРНК.
Непосредственно сборка белка состоит из нескольких этапов:
1) молекула иРНК соединяется с двумя субъединицами рибосомы: малой и большой. В результате образуется нормальная функциональная рибосома, «сидящая» на цепи иРНК. Размеры рибосомы таковы, что внутри неё помещаются два триплета (кодона) иРНК, то есть шесть нуклеотидов.
2) Рибосома начинает продвигаться по цепи иРНК до тех пор, пока не достигнет триплета АУГ – старт-кодона.
3) В рибосому начинают поступать различные молекулы тРНК, связанные с соответствующими им аминокислотами.
4) Те молекулы тРНК, антикодон которых комплементарен кодону цепи иРНК, связываются с молекулой иРНК.
5) После того как молекула тРНК связалась своим антикодоном с кодоном иРНК, рибосома сдвигается на один триплет вдоль молекулы иРНК.
6) Вторая молекула тРНК в соответствии с принципом комплементарности связывается с молекулой иРНК.
7) Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь.
8) Связь между молекулой тРНК и первой аминокислотой разрывается, первая молекула тРНК покидает рибосому.
9) Рибосома снова сдвигается вдоль цепи иРНК на один триплет, заново комплементарно связывается молекула тРНК с цепью иРНК и т. д.
10) Процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет стоп-кодона. Нет ни одной тРНК, которая была бы комплементарна стоп-кодону и несла на себе белок. При достижении стоп-кодона последняя тРНК покидает рибосому, а также «выходит» из рибосомы белок.
11) Рибосома разъединяется на две субъединицы: большую и малую. На этом трансляция прекращается.
Одновременно на молекуле иРНК могут располагаться несколько работающих рибосом, составляющих вместе полирибосому (полисому).
NB! Биосинтез белка происходит не на ДНК, а на иРНК в соответствии с информацией, хранящейся на ДНК. Биосинтез белка можно сравнить с приготовлением супа: суп варят не на книге с рецептами, а на плите, но в соответствии с рецептом.
Рассмотрим процесс биосинтеза белка на примере синтеза пептида, состоящего из трёх аминокислотных остатков. Пептидом называется молекула, состоящая из небольшого числа аминокислотных остатков, тогда как истинным белком (полипептидом) является молекула, в состав которой входит как минимум несколько сотен аминокислотных остатков.

Рис. Перед трансляцией субъединицы рибосомы не связаны друг с другом и цепью иРНК.

Рис. Затем происходит посадка субъединиц рибосомы на нить иРНК, при этом образуется функциональная рибосома.

Рис. Рибосома начинает продвигаться по нити иРНК до тех пор, пока не достигнет кодона АУГ – старт-кодона.

Рис. Молекула тРНК связывается с соответствующей аминокислотой.

Рис. Образуется молекула тРНК, связанная с соответствующей аминокислотой.

Рис. Молекула тРНК связывается своим антикодоном (в данном случае УАЦ) с кодоном иРНК (в данном случае АУГ).

Рис. Рибосома продвигается на один триплет, молекула тРНК, связанная с аминокислотой, продолжает оставаться внутри рибосомы.

Рис. Новая молекула тРНК связывается с соответствующей ей аминокислотой (в данном случае – лизин).

Рис. Вторая молекула тРНК связывается своим антикодоном с кодоном нити иРНК.

Рис. Между аминокислотами образуется пептидная связь.

Рис. Связь между первой аминокислотой (в данном случае – метионин) и соответствующей ей молекулой тРНК разрушается. Транспортная РНК покидает рибосому.

Рис. Рибосома продвигается на один триплет.

Рис. Новая молекула тРНК связывается с соответствующей ей аминокислотой (в данном случае – цистеин).

Рис. Молекула тРНК связывается своим антикодоном с кодоном нити иРНК.

Рис. Между лизином и цистеином образуется пептидная связь.

Рис. Молекула тРНК покидает рибосому.

Рис. Рибосома продвигается ещё на один триплет и достигает стоп-кодона (в данном случае – УАА). Синтез пептида прекращается.

Рис. Молекула тРНК покидает рибосому.

Рис. Пептид покидает рибосому.

Рис. Биосинтез белка завершается.

Рис. Рибосома разъединяется на две субъединицы: большую и малую.
В процессе биосинтеза белка у прокариот и эукариот имеются некоторые различия:
1) Рибосомы
эукариот крупнее, чем рибосомы прокариот; хотя и те, и другие состоят из
двух субъединиц: малой и большой;
2) Рибосомы
прокариот состоят в основном из рРНК, а рибосомы эукариот
в основном из белка.
3) У
эукариот транскрипция и трансляция пространственно разделены, а у
прокариот нет.
Обратим внимание на третий пункт. Отличительным признаком
эукариот является наличие ядра. У эукариот синтез РНК (транскрипция) происходит внутри ядра.
Из ядра РНК через специальные отверстия (ядерные поры) поступает в цитоплазму,
и лишь в цитоплазме происходит трансляция.
У прокариот ядра нет, поэтому и транскрипция,
и трансляция происходят в цитоплазме. Часто происходит так, что у
прокариот трансляция начинается ещё до того, как успевает полностью закончиться
транскрипция. Это как раз является одной из причин того, что скорость
биосинтеза белка у прокариот значительно выше, чем у эукариот.

Рис. Схема биосинтеза белка у прокариот (слева) и эукариот (справа).
Структура белка определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК. Иными словами, строение молекул белка определяется генетическим кодом.
Подводя итоги, сформулируем основные свойства генетического
кода:
1)
триплетность – каждую аминокислоту кодирует
триплет, состоящий из 3-х расположенных рядом нуклеотидов;
2) универсальность – генетический код универсален для всех живых организмов от бактерий до человека;
3) специфичность (однозначность) – один триплет на нити ДНК кодирует только одну определенную аминокислоту из 20-ти аминокислот.
4)
неперекрываемость – один нуклеотид не может
одновременно входить в состав нескольких триплетов;
5) избыточность (вырожденность, множественность)
– за синтез одной аминокислоты могут отвечать разные триплеты.
Свойства генетического кода очень легко запомнить, используя аббревиатуру Т.У.С.Н.И.

Число возможных сочетаний из 4-х нуклеотидов (А, Т, Г, Ц),
входящих в состав ДНК, объединенных в группу по 3, составит 43=64
триплета, что более чем достаточно для кодирования 20-ти аминокислот, входящих
в состав белков. Из 64-х триплетов, 3 не кодируют аминокислоты, они являются
«знаками препинания». Таким образом, из 64-х триплетов только 61 кодирует 20
аминокислот, то есть одну аминокислоту кодирует более 3-х триплетов.
Избыточность кода можно объяснить тем, что некоторые аминокислоты
кодируются несколькими триплетами. Избыточность генетического кода повышает
надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток и
синтезе белка.
Смотреть видео по теме: "Биосинтез белка. Транскрипция и трансляция. Основы" || Смотреть видео по теме "Структуры белка" || Читать теорию по теме "Структуры белка. Денатурация" || Решить тест по теме "Биосинтез белка" || Лёгкие задачи по теме "Биосинтез белка" (без 5' и 3' концов, до 2017 года) || Решить новые типы задач из второй части по теме "Биосинтез белка" || Смотреть разбор ошибок при решении задач на биосинтез белка на примере реальных ответов на ЕГЭ || Вернуться в раздел "Теория и практика"