Генетический код. Биосинтез белка

Генетический код — система соответствия между последовательностью нуклеотидов в ДНК (и иРНК) и последовательностью аминокислот в белке. Каждые три нуклеотида иРНК (кодон) кодируют одну аминокислоту. Свойства генетического кода: Триплетность — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (кодоном); при этом кодонов 64, а аминокислот всего 20. Однозначность — каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Вырожденность (избыточность) — одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов; например, лейцин кодируется шестью разными кодонами. Универсальность — код одинаков для всех живых организмов; одни и те же кодоны означают одни и те же аминокислоты от бактерии до человека. Непрерывность — считывание идёт без пропусков; нет «знаков препинания» между кодонами. Неперекрываемость — каждый нуклеотид входит только в один кодон.

Старт-кодон АУГ — начало трансляции. Кодирует аминокислоту метионин; таким образом, синтез любого белка начинается с метионина. Стоп-кодоны — три кодона, не кодирующих ни одной аминокислоты, а сигнализирующих об окончании трансляции: УАА, УАГ, УГА. Когда рибосома доходит до стоп-кодона, синтез полипептидной цепи прекращается, и готовый белок отделяется от рибосомы. Итого: из 64 кодонов — 61 кодирует аминокислоты, 3 — стоп-кодоны. Внимание! АУГ — старт. УАА, УАГ, УГА — стоп. Это нужно знать для решения задач.

Транскрипция — синтез молекулы РНК по матрице ДНК. Происходит в ядре (у эукариот). Фермент — РНК-полимераза. Механизм: РНК-полимераза прикрепляется к промотору — особому участку ДНК, обозначающему начало гена. Двойная спираль ДНК раскручивается. РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК от 3′ к 5′, синтезируя комплементарную цепь иРНК от 5′ к 3′. Правило комплементарности при транскрипции: напротив аденина ДНК ставится урацил иРНК; напротив тимина — аденин; напротив гуанина — цитозин; напротив цитозина — гуанин. Процесс заканчивается при достижении терминатора. Продукт — первичный транскрипт (пре-иРНК), который у эукариот проходит процессинг.

Процессинг — созревание первичного транскрипта (пре-иРНК) в зрелую иРНК, готовую к трансляции. Происходит в ядре эукариот. Включает: Сплайсинг — вырезание некодирующих участков (интронов) и сшивание кодирующих (экзонов). Кэпирование — присоединение защитного колпачка (кэпа) к 5′-концу иРНК. Полиаденилирование — добавление цепочки аденинов (поли-А-хвост) к 3′-концу иРНК. Кэп и поли-А-хвост защищают иРНК от расщепления ферментами и облегчают её связывание с рибосомой. Зрелая иРНК выходит через ядерные поры в цитоплазму, где начинается трансляция. У прокариот нет интронов и нет процессинга — трансляция начинается сразу в ходе транскрипции.

Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по матрице иРНК. Происходит в цитоплазме, на рибосомах. Три стадии: Инициация: рибосома связывается с 5′-концом иРНК; находит старт-кодон АУГ; присоединяется первая тРНК с антикодоном УАЦ, несущая метионин. Элонгация: рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′; каждый следующий кодон считывается тРНК с комплементарным антикодоном; аминокислоты последовательно присоединяются к растущей полипептидной цепи пептидными связями. Терминация: рибосома достигает стоп-кодона; нет тРНК с комплементарным антикодоном; специальный белок освобождает полипептидную цепь.

тРНК — транспортная РНК, доставляющая аминокислоты к рибосоме. Имеет характерную пространственную форму «клеверного листа»: три петли, образованные комплементарными участками одноцепочечной РНК. Ключевые участки: Антикодон — тройка нуклеотидов в центральной петле, комплементарная кодону иРНК. Именно антикодон определяет, какую аминокислоту несёт данная тРНК. Акцепторный конец — 3′-конец с последовательностью ЦЦА, к которому ковалентно прикрепляется аминокислота. Каждому кодону иРНК соответствует тРНК с комплементарным антикодоном, несущая нужную аминокислоту. Специфический фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза — присоединяет правильную аминокислоту к правильной тРНК.

Центральная догма молекулярной биологии сформулирована Фрэнсисом Криком в 1958 году. Основная схема: ДНК реплицируется в ДНК (репликация); ДНК транскрибируется в РНК (транскрипция); РНК транслируется в белок (трансляция). Информация передаётся в одном направлении: от нуклеиновых кислот к белку, но не наоборот. Белок не может «записаться» обратно в ДНК. Исключение из догмы: ретровирусы (например, ВИЧ) содержат фермент обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице РНК. Это исключение, а не правило для нормальных клеток.

Полисома, или полирибосома, — несколько рибосом, одновременно движущихся вдоль одной молекулы иРНК и синтезирующих несколько копий одного белка параллельно. Первая рибосома начала трансляцию и прошла дальше от 5′-конца; следующая рибосома прикрепилась к тому же месту и начала синтез; и так далее. На одной иРНК одновременно могут работать 5–20 рибосом. Полисомы значительно ускоряют суммарный синтез белка: пока одна рибосома дочитывает иРНК до конца, следующие уже синтезируют белок на других участках. Полисомы хорошо видны под электронным микроскопом.

Алгоритм решения задач на биосинтез. Шаг первый: определить матричную и кодирующую цепи ДНК (матричная — та, с которой снимается иРНК). Шаг второй: написать иРНК по матрице ДНК, используя комплементарность: А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г. Шаг третий: разбить иРНК на кодоны (тройки нуклеотидов), начиная с АУГ. Шаг четвёртый: для каждого кодона по таблице генетического кода определить аминокислоту. Шаг пятый: написать антикодоны тРНК, комплементарные кодонам иРНК. Пример: матричная цепь ДНК 3′-АТЦ-ГТА-5′; иРНК: 5′-УАГ-ЦАУ-3′. Это стоп-кодон (УАГ) и кодон гистидина (ЦАУ) — синтез начнётся с гистидина и завершится при стопе.

Мутации — изменения нуклеотидной последовательности ДНК. В контексте генетического кода важны точечные (генные) мутации: Замена нуклеотида — один нуклеотид заменяется другим. Из-за вырожденности кода замена может быть молчащей (кодон меняется, но кодирует ту же аминокислоту) или миссенс-мутацией (аминокислота в белке меняется). Вставка или делеция нуклеотида — самые опасные мутации. Они сдвигают рамку считывания (фреймшифт): все кодоны после места мутации читаются неверно. Пример миссенс-мутации: серповидноклеточная анемия — замена одного нуклеотида в гене гемоглобина меняет одну аминокислоту, что изменяет форму эритроцитов.

Экзоны — кодирующие участки гена, содержащие информацию о структуре белка. Интроны — некодирующие участки гена, расположенные между экзонами. У человека большинство генов содержит интроны; в среднем один ген содержит около 8 интронов. После транскрипции в пре-иРНК присутствуют и экзоны, и интроны. В ходе сплайсинга интроны вырезаются, а экзоны сшиваются в зрелую иРНК. Альтернативный сплайсинг — разные комбинации экзонов сшиваются в разных тканях, что позволяет одному гену кодировать несколько разных белков. Именно поэтому при 20 000–25 000 генах в организме человека синтезируется более 100 000 различных белков.

Рибосомы, связанные с шероховатой ЭПС, синтезируют белки для секреции (ферменты пищеварения, антитела, гормоны) и мембранные белки. Эти белки поступают в полость ЭПС и транспортируются к аппарату Гольджи для упаковки. Свободные рибосомы цитоплазмы синтезируют белки для внутриклеточного использования: ферменты цитоплазмы, цитоскелетные белки, ядерные белки. Рибосомы митохондрий и хлоропластов синтезируют некоторые собственные белки этих органоидов (большинство митохондриальных белков всё же кодируется ядром и синтезируется на цитоплазматических рибосомах).

Шапероны — специальные белки-«помощники», которые обеспечивают правильную укладку (фолдинг) других белков после их синтеза на рибосоме. Свежесинтезированная полипептидная цепь может неправильно свернуться или слипнуться с другими цепями. Шапероны связываются с развёрнутой цепью, предотвращают её неправильную агрегацию и помогают ей принять правильную трёхмерную конформацию. Некоторые шапероны называются белками теплового шока (HSP): их синтез резко возрастает при стрессах (нагревании), когда риск денатурации и неправильной укладки белков повышается. Нарушение работы шаперонов связано с рядом заболеваний, включая болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.

Внимание! Первая ошибка — путать транскрипцию и трансляцию. Транскрипция — в ядре, синтезируется иРНК по матрице ДНК. Трансляция — в цитоплазме на рибосомах, синтезируется белок по матрице иРНК. Вторая ошибка — путать кодон и антикодон. Кодон — тройка нуклеотидов иРНК. Антикодон — тройка нуклеотидов тРНК, комплементарная кодону. Третья ошибка — думать, что при транскрипции строится ДНК. Нет: при транскрипции строится РНК. ДНК строится только при репликации. Четвёртая ошибка — считать, что матрица ДНК читается от 5′ к 3′. РНК-полимераза движется по матрице ДНК от 3′ к 5′, синтезируя иРНК от 5′ к 3′.