Биосинтез белка: код ДНК, этапы биосинтеза

Биосинтез белка – один из важнейших процессов в клетке. Белки, как было показано ранее, выполняют многочисленные функции. В соответствии со своими потребностями клетка производит определенные белки. В этом проявляется реализация наследственной информации.

Сначала рассмотрим способ кодирования наследственной информации в клетке.

Код ДНК

ДНК – носитель наследственной информации. Она является основой хромосом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез определенного вида белка, называется геном. Простейшую схему реализации наследственной информации можно представить следующим образом (рис. 19):

Рисунок 19 – Простейшая схема реализации наследственной информации

Каким же образом информация о последовательности аминокислот в белке зашифрована в молекуле ДНК?

Принципы кода ДНК:
  1. Триплетность. Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет. Например, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ и т.д. Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК являются кодом, несущим информацию о структуре белка.
  2. Избыточность (вырожденность). Код ДНК включает все возможные сочетания трех (из четырех) азотистых оснований. Таких сочетаний может быть 43 = 64. В то же время кодируется только 20 аминокислот, входящих в состав белка. Оказывается, что одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько триплетов. Например, аминокислоте аргинину соответствуют триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Это свойство кода имеет большое значение для увеличения надежности передачи генетической информации. В приведенном примере случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах не отразится на структуре синтезируемого белка.
  3. Однозначность (специфичность). Один и тот же триплет кодирует только одну аминокислоту.
  4. Неперекрываемость. Триплеты, кодирующие аминокислоты, транскрибируются всегда целиком. При считывании информации с молекулы ДНК невозможно использование азотистого основания одного триплета в комбинации с основаниями другого триплета.
  5. Рисунок 20 – В приведенной последовательности триплетов ДНК азотистые основания первого триплета принадлежат только ему. Основание А первого триплета не может входить одновременно во второй триплет и т.д.

  6. Код ДНК имеет «знаки препинания». С помощью этих «знаков препинания», которыми являются триплеты АЦТ, АТТ и АТЦ, не кодирующие ни одну аминокислоту, один ген отделяется от другого.
  7. Универсальность. Код ДНК един у всех живых организмов, начиная с вирусов и заканчивая человеком.

Ниже приводится таблица генетического кода. Пользоваться таблицей просто. Первый нуклеотид в триплете берется из левого вертикального ряда, второй – из верхнего горизонтального ряда, третий – из правого вертикального ряда. На пересечении линий, идущих от всех трех нуклеотидов, находится искомая аминокислота. Нуклеотиды ДНК указаны в скобках.

Таблица 15 - Генетический код иРНК (ДНК)

Первое основание Второе основание Третье основание
У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц)
У (А) Фен

Фен

Лей

Лей

Сер

Сер

Сер

Сер

Тир

Тир

Цис

Цис

Три

У (А)

Ц (Г)

А (Т)

Г (Ц)

Ц (Г) Лей

Лей

Лей

Лей

Про

Про

Про

Про

Гис

Гис

Глн

Глн

Арг

Арг

Арг

Арг

У (А)

Ц (Г)

А (Т)

Г (Ц)

А (Т) Иле

Иле

Иле

Мет

Тре

Тре

Тре

Тре

Асн

Асн

Лиз

Лиз

Сер

Сер

Арг

Арг

У (А)

Ц (Г)

А (Т)

Г (Ц)

Г (Ц) Вал

Вал

Вал

Вал

Ала

Ала

Ала

Ала

Асп

Асп

Глу

Глу

Гли

Гли

Гли

Гли

У (А)

Ц (Г)

А (Т)

Г (Ц)

Этапы биосинтеза белка

Для биосинтеза белка информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосоме, после чего начинается сборка белковой молекулы.

Транскрипция

ДНК – носитель наследственной информации находится в ядре и непосредственного участия в биосинтезе белка не принимает. К месту сборки белка – к рибосоме – посылается посредник, несущий информацию о последовательности аминокислот. Таким посредником является информационная РНК (иРНК).

Процесс транскрипции представляет собой переписывание информации о структуре белка с молекулы ДНК на молекулу иРНК. Определенный участок ДНК деспирализуется, и считывание информации происходит с одной из двух цепей ДНК при участии фермента РНК-полимераза. Синтез иРНК происходит по принципу комплементарности. Молекула иРНК гораздо короче, чем молекула ДНК. Информационная РНК является копией участка ДНК, содержащего один или несколько генов, которые несут информацию о белках, необходимых для выполнения одной функции. Готовая молекула иРНК отделяется от ДНК и выходит в цитоплазму клетки через поры в ядерной мембране. Процесс транскрипции является матричным процессом. Роль матрицы выполняет молекула ДНК.

Следующий этап биосинтеза белка происходит непосредственно на рибосоме и называется трансляцией.

Трансляция

Информационная РНК, синтезируемая в ядре клетки, выходит в цитоплазму и объединяется с рибосомой, где происходит расшифровка генетической информации. Смысл этого процесса заключается в переводе информации с «языка» нуклеиновых кислот на «язык» белка. Таким образом, трансляция – это синтез полипептидных цепей по матрице иРНК, выполняемый на рибосомах. Триплеты иРНК, кодирующие какие-либо аминокислоты принято называть кодонами.

В трансляции участвуют молекулы транспортных РНК (тРНК), которые поставляют аминокислоты к рибосоме. Молекула тРНК состоит из 70–90 нуклеотидов и имеет форму клеверного листа. На вершине «листа» тРНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных кодону иРНК и называемых АНТИКОДОНОМ. Специальный фермент опознает тРНК и присоединяет к «черешку листа» определенную аминокислоту. Эта аминокислота обязательно кодируется триплетом иРНК, комплементарным антикодону тРНК. Таким образом, различные аминокислоты транспортируются собственными тРНК.

Рисунок 21 – Структура тРНК

Рибосома объединяется с молекулой иРНК таким образом, что на нее попадает только два триплета иРНК. К кодонам иРНК присоединяются комплементарные антикодоны тРНК. Между двумя аминокислотами, принесенными тРНК, образуется пептидная связь. После этого первая тРНК выходит в цитоплазму, оставляя свою аминокислоту. Транспортная РНК вместе с двумя аминокислотами и кодоном иРНК перемещается относительно рибосомы. Затем подходит новая тРНК с аминокислотой, и процесс повторяется до тех пор, пока не встретится кодон, означающий «точку». Рибосома перемещается вдоль иРНК не плавно, а скачками, триплет за триплетом. В результате образуется первичная структура белка. Рибосомы часто связаны с цистернами эндоплазматической цепи. Поэтому линейная молекула белка поступает в цистерну ЭПС и приобретает там вторичную, третичную или четвертичную структуру. Следует помнить, что все реакции, относящиеся к биосинтезу белка, осуществляются за счет энергии АТФ.

Следует отметить, что структура тРНК закодирована специальными генами ДНК.

Клетки разных тканей одного и того же организма отличаются набором ферментов и других белков. Однако все эти клетки произошли от одной оплодотворенной яйцеклетки в результате множества делений, следующих одно за другим. Следовательно, во всех клетках данного организма заложена одинаковая генетическая информация.

Почему же клетки, несущие в своем ядре одинаковую наследственную информацию, синтезируют разные белки? Дело в том, что в разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, т.е. образуются разные иРНК, по которым и синтезируются разные белки.

Таким образом, в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации. Кроме того, специфичные для данной клетки белки не образуются в ней одновременно. В разное время и зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки. Клетка обладает сложным механизмом «включения» и «выключения» генов на разных этапах жизни клетки.

Разнообразие форм и функций клеток разных органов зависит от сложного взаимодействия различных генов между собой и с многочисленными веществами, поступающими извне или образующимися внутри клетки.