Генетический код и его свойства. Биосинтез белка. Реакции матричного синтеза

Биосинтез белков происходит в цитоплазме клеток на рибосомах. Информация о структуре белка записана в молекуле ДНК, которая у эукариот находится в ядре и отделена ядерной оболочкой от цитоплазмы, где происходит синтез белка.

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре белка, называется геном. Ген у эукариот имеет мозаичное строение, в нем есть информационные участки – экзоны (кодирующие последовательности нуклеотидов, определяющие последовательность аминокислот в белке), и неинформационные участки – интроны (некодирующие последовательности между экзонами). Информация о структуре белка в молекуле ДНК записана с помощью генетического кода.

Генетический код – это система записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и иРНК, несущая информацию о последовательности расположения аминокислот в молекуле белка.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен – каждая из аминокислот закодирована тремя последовательно расположенными нуклеотидами. Эти три нуклеотида называются триплетом или кодоном. Кодон – последовательность из трех смежных нуклеотидов молекулы ДНК и иРНК, кодирующая какую-либо аминокислоту или окончание (терминацию) полипептидной цепи.

2. Код вырожден (множественен) – одна аминокислота может быть закодирована двумя или более кодонами (это объясняется существованием 4 нуклеотидов, которыми можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида - 4³ = 64, а аминокислот, входящих в состав белка, только 20). Одним триплетом шифруются только аминокислоты: метионин, который кодируется только триплетом АУГ, и триптофан – УГГ.

3. Код специфичен (однозначен) – один кодон шифрует только одну аминокислоту.

4. Код универсален – генетический код одинаков у всех живых организмов.

5. Код однонаправлен – информация считывается в одном направлении.

6. Код неперекрываем – один нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.

7. Код непрерывен. В генетическом коде нет знаков препинания. Считывание информации начинается со стартовых (инициирующих) триплетов – АУГ (эукариоты) или ГУГ (прокариоты), а заканчивается триплетами-терминаторами (УАА, УАГ, УГА), которые обозначают окончание синтеза полипептидной цепи. Триплеты-терминаторы находятся в конце каждого гена.

Таблица 5. Генетический код (не для запоминания)

АЛА - аланин; АРГ - аргинин;

АСН - аспарагин; АСП - аспарагиновая кислота;

ВАЛ - валин; ГИС - гистидин;

ГЛИ - глицин; ГЛН - глутамин;

ИЛЕ - изолейцин; ЛЕЙ - лейцин;

ЛИЗ- лизин; ГЛУ - глутаминовая кислота;

МЕТ - метионин; ПРО - пролин;

СЕР - серии; ТИР - тирозин;

ТРЕ - треонин; ТРИ - триптофан;

ЦИС - цистеин. ФЕН - фенилаланин;

ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Информацию о структуре белка в цитоплазму несет иРНК, которая по принципу комплементарности строится на матрице ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. Участок гена, к которому присоединяется РНК-полимераза, называется промотором. Переписывание информации с ДНК на иРНК (построение иРНК на матрице ДНК) называется транскрипцией. Переписывается одна нить молекулы ДНК, которая называется кодогенной, или транскрибируемой. Если в переписываемой нити ДНК стоит гуаниловый нуклеотид (Г) с азотистым основанием гуанин, то фермент РНК-полимераза включает в РНК цитидиловый нуклеотид (Ц), содержащий цитозин; если тимидиловый нуклеотид (Т) с азотистым основанием тимин – то адениловый нуклеотид (А) с азотистым основанием аденин; если адениловый нуклеотид (А) – то урациловый нуклеотид с азотистым основанием урацил (У). По длине каждая из молекул иРНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК переписывает информацию только части молекулы ДНК – одного гена, несущего информацию о структуре белка. У эукариот при этом частично переписываются и спейсеры. Эта иРНК не может проникнуть через поры в ядерной оболочке, она незрелая (пре-иРНК), поэтому в ядре происходит ее процессинг — дозревание (вырезание неинформационных участков и сшивание информационных), в результате чего РНК укорачивается. Зрелая иРНК проходит через поры в ядерной оболочке и направляется к месту синтеза белка (к рибосоме). Информация закодирована в виде триплетов. Один триплет (кодон) кодирует место одной аминокислоты в белковой молекуле, а последовательность триплетов кодирует последовательность аминокислот в белковой молекуле. Перевод информации с последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка (построение молекулы белка на матрице иРНК) называется трансляцией. В иРНК существуют триплеты: инициирующий – АУГ (определяет начало синтеза белка) и терминирующие: УАГ, УАА, УГА.

Одновременно в рибосоме помещается 2 триплета: один – в пептидильном, другой – в аминоацильном (аминокислотном) центре рибосомы. В аминоацильный центр во время синтеза белка приходят тРНК, с аминокислотами, а в пептидильном центре образуется пептидная связь между аминокислотами и находится образующийся полипептид.

Рис. 5. Схема биосинтеза белка

В цитоплазме клетки всегда находятся различные аминокислоты и соответствующие им тРНК. тРНК имеют два важных участка: к одному из них прикрепляется определенная аминокислота, а другой, называемый антикодон, содержит триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК. С помощью специфических ферментов аминокислоты узнаются, активируются и присоединяются к тРНК, которая переносит их к месту синтеза белка в рибосому. При этом по принципу комплементарности кодоны иРНК вступают в связь с антикодонами тРНК. Например, если в иРНК будет располагаться кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ. После этого между аминокислотами, находящимися в двух центрах рибосомы, происходит образование пептидной связи. Затем тРНК, находящаяся в пептидильном центре, покидает рибосому и «уходит» в цитоплазму за другой аминокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет. Образовавшийся дипептид располагается в пептидильном центре, а в освободившийся аминоацильный центр рибосомы, приходит новая тРНК с аминокислотой. Так происходит считывание информации. Когда рибосома окажется на терминирующем триплете, синтез белка заканчивается. В секунду соединяются друг с другом до 50 аминокислот. Поэтому синтез одной молекулы белка длится всего 3–5 с. Для протекания всех этапов синтеза необходима энергия, которая поставляется за счет расщепления АТФ.

После образования первичной структуры формируется вторичная, третичная, четвертичная структуры белка, и он начинает выполнять свои функции.