Трансляция иРНК. Синтез белка в клетке - ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ. ФУНКЦИИ ДНК. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Процесс синтеза полипептида по матрице иРНК в рибосомах называют трансляцией. Различные типы РНК взаимодействуют в процессе трансляции, в результате чего последовательность аминокислотных остатков в полипептиде будет соответствовать последовательности нуклеотидов иРНК, а следовательно, и ДНК. Синтез белков в клетках основан на принципе генетического кода.

Генетический код — характерный для живых организмов способ кодирования аминокислотных последовательностей белков при помощи последовательности нуклеотидов ДНК или РНК. Генетический код характеризуют следующие свойства.

Триплетность. В ДНК или РНК имеется четыре вида нуклеотидов. В состав белковых молекул входит 20 аминокислот. Чтобы закодировать аминокислоты, необходимы разные комбинации по три четырех видов нуклеотидов (43 = 64). Кодовый знак называют триплетом (три последовательно соединенных нуклеотида цепи ДНК или РНК). Всего в генетическом коде возможны 64 триплета. Виды триплетов иРНК показаны в табл. 7.1. 61 триплет кодирует аминокислоты, эти триплеты называют кодонами иРНК, а комплементарные им триплеты молекул тРНК — антикодонами. Три триплета не кодируют аминокислот: УАА, УАГ, УГА. Это стоп-сигналы — когда они попадают в рибосому, прекращается синтез полипептидной цепи.

Вырожденность. Аминокислоты (кроме метионина и триптофана) кодируются несколькими триплетами. Благодаря этому замена нуклеотидов в ДНК может в ряде случаев не привести к замене аминокислоты в полипептиде и, несмотря на мутацию, свойства белка не изменятся.

Неперекрываемость. АУГ является стартовым кодоном: с него начинается трансляция. Он задает рамку считывания. Нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом. Кодоны не перекрываются.

Генетический код универсален, он един для всех клеток и вирусов. Таблица 7.1

Примечание. Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном. На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.

Аминокислоты обозначены следующим образом: Ала — аланин, Арг — аргинин, Асн — аспарагин, Асп — аспарагиновая кислота. Вал — валин, Гис — гистидин, Гли — глицин, Глн — глутамин, Глу — глутаминовая кислота, Иле — изолейцин, Лей — лейцин, Лиз—лизин, Мет — метионин. Про — пролин. Сер — серин, Тир —тирозин, Тре — треонин, Три — триптофан, Фен — фенилаланин, Цис — цистеин.

Аминокислоты, из которых синтезируются полипептиды, доставляются в рибосомы с помощью транспортных РНК (рис. 7.6). В клетках существуют специальные ферменты (аминоацил-тРНК-синтетазы), при помощи которых аминокислоты присоединяются только к соответствующим молекулам тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Каждая из 20 аминоацил- тРНК-синтетаз должна всегда прикреплять к тРНК только свою аминокислоту, узнавая только одну из 20 аминокислот и не связывая другие похожие молекулы, содержащиеся в цитоплазме клетки. Это является необходимой предпосылкой безошибочного хода биосинтеза белков, так как молекулы тРНК играют роль посредника и распознают с помощью своих антикодонов соответствующие кодоны иРНК по принципу спаривания оснований.

Рис. 7.6. Схема строения иРНК

Синтез полипептида в большинстве случаев начинается с АУГ-кодона, кодирующего аминокислоту метионин. Этот кодон обычно называют стартовым, или инициаторным. Он задает рамку считывания, стоящие за ним триплеты считываются рибосомой один за другим. Антикодон тРНК (УАЦ), несущей метионин, на основе принципа комплементарности присоединяется к кодону АУТ иРНК. Затем происходит соединение большой и малой субъединиц и формируется функциональная рибосома. Молекула тРНК и связанный с ней метионин оказываются в пептидильном участке рибосомы. В аминоацильном участке рибосомы находится следующий кодон иРНК. К нему присоединяется комплементарный антикодон тРНК, несущий вторую аминокислоту. Фермент присоединяет карбоксильную группу одной аминокислоты к аминогруппе другой аминокислоты. Рибосома перемещается вдоль иРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи, в результате чего последовательность нуклеотидов в иРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде (рис. 7.7). Образование пептидных связей прекращается, когда рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов. Особый белковый фактор освобождения связывается со стоп-кодоном, попавшим в аминоацильный участок рибосомы. Вследствие этого полипептидная цепь покидает рибосому и поступает в цитоплазму. Далее происходит образование определенной пространственной конфигурации — и синтезированный белок способен выполнять свою функцию в клетке.

Рис. 7.7. Последовательные этапы синтеза полипептида: I — малая субъединица рибосомы соединяется с тРНК, несущей метионин, а затем с иРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субъединиц; II — рибосома перемещается вдоль иРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи; III — рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов иРНК, полипептидная цепь высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субъединицы диссоциируют и отделяются от иРНК, а затем могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи

Опорные точки

• Транскрипция представляет собой перевод информации из последовательности нуклеотидов (кодонов) иРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Она осуществляется в активном центре рибосомы.

• Рибосомы обеспечивают последовательный подбор антикодонов тРНК к кодонам иРНК.

• Контроль активности генов на уровне трансляции обеспечивается различной продолжительностью “жизни” молекул иРНК, на которую влияют регуляторные факторы (гормоны), а также конечные продукты деятельности самого гена.