Генетическая информация в клетке. Биосинтез белка

На этой странице вы узнаете

• Как связано расстояние от Земли до Плутона с генетикой?
• Какие “шапочки” в моде у РНК?

Все люди непохожи друг на друга. Даже однояйцевые близнецы могут иметь некоторые отличия. Каждый человек — уникальное создание, с неповторяющейся внешностью, голосом, темпераментом. Но почему мы такие разные? В чем секрет такого поразительного разнообразия? Конечно, все тайны хранит наша генетическая информация. Именно о ней и способах её реализации пойдет речь в этой статье.

Ген, генетический код и его свойства

Заглянем внутрь нашей клетки. Первое, что бросится нам в глаза — ядро. Крупная структура, окруженная оболочкой, в которой находится маленькое ядрышко. Именно оно нам необходимо. Рассмотрим электронограмму ядра: мы видим ядерную оболочку, поры и непосредственно содержимое ядра. Светлый ободок — это эухроматин,  деспирализованные (раскрученные) участки хромосомы, с которых активно идет считывание информации и синтез соответствующих белков. Темное пятно в центре — гетерохроматин, конденсированный (скрученный) хроматин, который не используется клеткой в данный момент времени.

Как связано расстояние от Земли до Плутона с генетикой? Если бы мы раскрутили все цепочки ДНК одной единственной клетки, то получилась была бы нить длиной около 16 миллиардов километров. Это что равно расстоянию от Земли до Плутона! И, конечно, она не поместилось бы в маленькое ядро.

Но несмотря на то, что какая-то часть информации используется клеткой, а какая-то нет, и тот и другой вид хроматина несет в себе определенную информацию посредством последовательности аминокислот, включенных в молекулу ДНК. Так как нам сформулировать понятие гена?

Ген — это участок молекулы ДНК, кодирующий последовательность аминокислот для синтеза одного белка. 

В одной молекуле ДНК зашифровано огромное количество информации о  различных белках. Все наши клетки имеют одни и те же молекулу ДНК. Теперь подумайте: почему же тогда клетки печени  отличаются от клеток лёгких, нейроцитов и так далее? Ведь ДНК для всех одинакова? 

Это происходит потому, что в разных клетках одни гены «выключены», а другие «активны»: синтез белка идет только с активных генов. Так же как пианист для создания определенной мелодии нажимает только определённые клавиши инструмента. Остальные клавиши присутствуют, но в создании мелодии не участвуют. Именно из-за этого наши клетки отличаются по строению, функции и форме.

С понятием гена разобрались, но в чем его отличие от генетического кода? 

Генетический код — это специальная система записи генетической информации в молекулах ДНК (иРНК) в виде строгой последовательности нуклеотидов.

Предлагаем немного освежить память и вспомнить строение нуклеотидов и их виды. Итак, нуклеотид схематично выглядит следующим образом:

Нуклеотид состоит из 3 частей: 

1. остатка фосфорной кислоты,
2. остатка сахара — пентозы (рибоза или дезоксирибоза);
3. азотистого основания (для ДНК: аденин, тимин, гуанин, цитозин, а для РНК: аденин, урацил, гуанин, цитозин). 

Нуклеотиды напоминают буквы в алфавите, правда в этом алфавите генетического кода их всего навсего 5 (А, Т Г, Ц, У) . А сам генетический код — это язык, на котором разговаривают различные структуры клетки. И как в любом языке, генетический код имеет свои правила, или свойства генетического кода.

1. Триплетность — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, расположенными рядом, которые образуют триплет. Другими словами, триплет — это слово, состоящее только из трёх букв (нуклеотидов), которое несет информацию об одной конкретной аминокислоте.
   Пример: триплет АУГ кодирует аминокислоту мет (метионин).

2. Однозначность (специфичность) — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. Одно слово = одно значение.
   Пример: триплет АУГ кодирует только метионин, и больше никакую другую.

3. Избыточность (вырожденность) — одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. А вот здесь уже другая ситуация, одно значение можно описать несколькими словами. 
   Пример: триплеты ЦУА, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУГ  кодируют одну и ту же кислоту лей (лейцин).

4. Неперекрываемость — любой  нуклеотид может входить в состав только одного триплета. Новое слово начинается только после окончания предыдущего, они не перекрываются. Не может быть последний слог первого слова началом второго. 
   Пример. Возьмем последовательность нуклеотидов АГЦТ. В данной последовательности мы обнаруживаем или триплет АГЦ, или ГЦТ, другого не дано.

5. Непрерывность — информация с генетического кода считывается непрерывно, последовательно, триплет за триплетом. 

6. Код универсален — все живые организмы имеют один и тот же генетический код. Удивительно, но у грибов, бактерий, животных и растений один и тот же триплет будет кодировать одну и ту же кислоту.

Свойств генетического кода действительно немало, но я подскажу вам один удобный способ запомнить их. “ВЫсокий СПЕЦназовец ТРИстан УНИВЕРСАЛьно ПЕРЕКРЫл ПРЕРЫВИСТый ларёк” — это предложение поможет быстро запомнить свойства генетического кода.

Матричный характер реакций биосинтеза

Мы разобрали основы, и знаем, где записана информация для последовательности аминокислот, теперь пришла пора перейти к “белковой фабрике”. 

Представим, что мы отправляемся на экскурсию в нашу клетку, чтобы посмотреть все этапы производства белков живых организмов. Но прежде чем производить что-либо, необходимо создать какой-то план, макет. В этом нашему организму помогают матричные биосинтезы.

Когда мы говорим о матрице, то представляем какую-нибудь форму для отливки монет, орденов и прочего. Форма с точностью до мельчайших деталей повторяет форму предмета, который должен получиться. Матрица в биосинтезах чем-то напоминает форму для отливки. Роль матрицы выполняет одна из цепей ДНК (она называется матричной). Информация с неё попадает на иРНК — информационную РНК, которая является специфическим переносчиком последовательности с ДНК. Расстановка нуклеотидов ДНК и аминокислот находятся в четкой  последовательности. Это помогает закреплять их на матрице, а затем собирать в белковую молекулу.

Запомните! Благодаря матричному синтезу возможно воспроизведение себе подобных клеток и организмов. Он помогает сохранять уникальный наследственный материал каждого организма.

Понятие “биосинтеза белка”

Наконец матрица готова, и мы можем отправляться на экскурсию. Мы проходим на фабрику с интригующим названием “биосинтез белка”.

Биосинтез белка — сложный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул тРНК и иРНК.

Давайте заглянем в нашу путеводительную карту и посмотрим, какие стадии биосинтеза нам предстоит пройти.

Процесс биосинтеза белка состоит из нескольких стадий:

1. претранскрипционная,
2. транскрипция,
3. созревание иРНК,
4. трансляция,
5. посттрансляционная.

Наше путешествие начинается из святая святых — ядра. Здесь наш хроматин, в котором содержится информация о необходимом белке, готовится к считыванию информации. Он готовит ту нить ДНК, которая станет основой  для последующей работы. Эта нить называется транскрибируемой. В общем, здесь идет работа непосредственно с ДНК — это и есть претранскрипционный этап.

Транскрипция и трансляция

Второй этап биосинтеза белка — транскрипция.

Транскрипция — синтез информационной РНК по матрице ДНК. 

Этот этап также проходит в ДНК. Но для чего это нужно? Почему сразу нельзя синтезировать белок из матричной ДНК? Всё просто: ДНК очень ценная молекула, она одна в своём роде и должна оберегаться как зеница ока. Поэтому ей просто нельзя покидать пределы ядра, чтобы она не повредилась. Именно поэтому клетка создает копию молекулы ДНК, используя принцип комплементарности.

Принцип комплементарности (правило Чаргаффа): молярное содержание аденина всегда равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — молярному содержанию цитозина. Проще говоря, А всегда соответствует Т (У в молекулах РНК), а Г всегда соответствует Ц.

В транскрипции выделяют несколько стадий: 

1. Подготовительная. Особый фермент РНК-полимераза определяет участок молекулы ДНК, с которой будет происходить транскрипция. Этот участок носит название промотор и фермент соединяется с ним. Далее промотор раскручивает молекулу ДНК, состоящей из двух цепей: транскрибируемой и смысловой. 

В процессе транскрипции принимает участие только транскрибируемая цепь ДНК.

2. Инициация (от лат. “вызывать”) — образование первых триплетов (кодонов) иРНК.
3. Элонгация  (от лат. “удлинить”) — молекула иРНК быстро растет и удлиняется.
4. Терминация (от лат. “завершение”) — фермент РНК-полимераза доходит до участка ДНК, который сигнализирует о прекращении транскрипции. 

Но, прежде чем выйти из ядра и отправиться в свободное плавание, наша молекула иРНК должна “подрасти” и “созреть”.

Процессинг

Созревание иРНК (процессинг) — у  эукариот в ходе транскрипции образуется незрелая иРНК или про-иРНК, которая проходит этап процессинга, чтобы превратиться в мРНК (матричную РНК). 

В процессинге также выделяют 3 стадии:

1. Сплайсинг — вырезание интронов (участки иРНК, которые не несут никакой информации) и сшивание экзонов (информативные участки).

2. Кэпирование (“надевание шапочки”) — присоединение к концу иРНК “шапочки” в виде соединения 7-метилгуанозина. 

Какие “шапочки” в моде у РНК? Как мы теперь узнали, “шапочка” РНК — это соединения 7-метилгуанозина. Оно защищает молекулу от действия ферментов, а также принимает участие в инициации трансляции.

3. Полиаденилирование — с помощью особого фермента к другому концу РНК прикрепляется “хвост” из 100-200 адениловых нуклеотидов, который также защищает молекулу иРНК от разрушающего действия ферментов. 

Получившаяся зрелая мРНК выходит из ядра в цитоплазму через поры в мембране ядра. 

А мы отправляемся вместе с ней, чтобы увидеть следующий предпоследний, этап биосинтеза.

Трансляция

Итак, мы в цитоплазме. Здесь происходит один из важнейших этапов биосинтеза белка — трансляция.

Трансляция — это непосредственно перевод последовательности нуклеотидов иРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Трансляция происходит на рибосомах. 

В ней, также как и на предыдущих этапах, выделяют несколько стадий.

Но, чтобы понять эти этапы, необходимо остановиться на ещё одной молекуле, которая участвует в трансляции — тРНК.

тРНК имеет вид листиков клевера, правда похоже? На одном из листочков и находится антикодон. Это такой участок тРНК, который будет находить кодон иРНК по принципу комплементарности и отдавать соответствующую аминокислоту, которая “висит” на хвосте тРНК.

Так и происходит передача молекул аминокислот в правильном порядке.

Теперь можно вернуться к этапам трансляции.

1. Подготовительный этап (активация аминокислот). Свободные аминокислоты захватываются тРНК. Это очень важный процесс, ведь именно от него зависит, правильно ли в дальнейшем синтезируется аминокислотная последовательность.

2. Инициация трансляции. Малая субъединица рибосомы связывается с мРНК. Помните нашу “шапочку”? С помощью нее и происходит связывание. Затем рибосома находит специальный участок — триплет АУГ. Это так называемый старт-кодон, с него и начнется синтез полипептидной цепи. После этого к кодону АУГ иРНК присоединяется первый антикодон, который несет на себе аминокислоту метионин. Она будет первой аминокислотой в нашей цепочке.

3. Элонгация — молекулы тРНК приносят всё новые и новые аминокислоты. Происходит сдвиг молекулы мРНК, а полипептидная цепь удлиняется.

4. Терминация — здесь в ход вступают факторы терминации, молекулы, которые узнают стоп кодон на мРНК и завершают трансляцию. Рибосома распадается на малую и большую субъединицу, мРНК расщепляется на нуклеотиды, а полипептидная цепочка выходит на заключительный этап синтеза.

Посттрансляционный этап

Наша полипептидная цепь представляет собой первичную структуру белка, но чтобы полноценно функционировать в организме она должна пройти ряд превращений. 

На посттрансляционном этапе полипептидная цепочка претерпевает так называемый фолдинг — изменение пространственной структуры. Может происходить отщепление некоторых фрагментов, химические модификации и наконец зрелый белок достигает места своего функционирования.

Поздравляем! Наша экскурсия завершена, мы стали свидетелями самого потрясающего процесса человеческого организма — биосинтеза белка.

Напоследок оставляем небольшую памятку, которая поможет освежить все этапы этого увлекательного процесса:

Фактчек

• Ген — это уникальная последовательность нуклеотидов, в которой хранится информация о аминокислотной последовательности одного белка.

• Генетический код — “язык” наших клеток, в котором зашифрована генетическая информация ДНК (иРНК) в виде нуклеотидной последовательности.

• Для генетического кода характерны 6 основных свойств: триплетность, специфичность, избыточность, непрерывность, неперекрываемость, универсальность.

• Биосинтез белка состоит из множества сложных процессов, самые важные из них — транскрипция и трансляция.

• Транскрипция — образование молекулы иРНК посредством считывания информации с  транскрибируемой нити ДНК (процесс происходит в ядре).

• Трансляция — синтез полипептидной цепи посредством высвобождения аминокислот с молекулы тРНК при связывании антикодонов тРНК с кодонами иРНК на рибосоме (процесс происходит в цитоплазме).

Проверь себя

Задание 1.
Система записи информации о последовательности расположения аминокислот в молекуле белка с помощью аналогичного расположения нуклеотидов в иРНК:

1. специфичность
2. транскрипция
3. генетический код
4. трансляция

Задание 2
Каждые три нуклеотида молекулы ДНК образуют:

1. белок
2. триплет
3. аминокислоту
4. липид

Задание 3 
Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. Этим свойством генетического кода является:

1. универсальность
2. специфичность
3. триплетность
4. вырожденность

Задание 4
Процесс переписывания генетической информации с ДНК на иРНК:

1. редупликация
2. транскрипция
3. репликация
4. трансляция

Задание 5
Трансляция — это …

1. удвоение ДНК
2. синтез иРНК на ДНК
3. синтез белка на рибосомах
4. синтез ДНК на тРНК

Задание 6
Установите последовательность явлений и процессов, происходящих при биосинтезе белка. В ответе запишите ряд букв.

А. Образование пептидной связи

Б. Синтез молекулы иРНК на ДНК

В. Связывание молекулы иРНК с рибосомой

Г. Поступление молекулы иРНК из ядра в цитоплазму

Д. Процесс разрушения рибосомы

Е. Взаимодействие тРНК с аминокислотой метионином, с белково-синтезирующим комплексом (рибосомой и иРНК)

Ответы: 1. — 3; 2. —2; 3. — 2; 4. — 2; 5. — 3; 6. — БГВЕАД.