БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
ИНТЕРАКТИВНО

01Биосинтез белка. Кратко суть

Реализация информации, записанной в генах, осуществляется через синтез белков и называется экспрессией (проявлением) генов.

Биосинтез белка происходит в 2 этапа:

1. Транскрипция — синтез иРНК с транскрибируемой цепи ДНК;
2. Трансляция — синтез белка с иРНК с помощью рибосом.

Инструкция по синтезу белка закодирована в генах (участках молекулы ДНК). Но прежде чем начать биосинтез белка, информацию о белке нужно «достать» из ДНК и доставить к месту синтеза. Этим занимается специальная молекула — информационная (матричная) РНК.

Информация о белке переписывается с ДНК на иРНК (транскрипция). А потом иРНК соединяется с рибосомой и начинается трансляция — синтез полипептида.

Белок — полимер, мономером которого являются аминокислоты. Для того чтобы синтезировать белок, помимо иРНК к месту синтеза необходимо доставить аминокислоты. Этим занимаются специальные молекулы транспортной РНК (тРНК).

Помимо тРНК и иРНК имеется также рибосомальная РНК (рРНК). Она входит в состав рибосом. Именно рРНК больше всего в клетке.

02Транскрипция

Синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется по принципу комплементарности и антипараллельности ферментом РНК-полимеразой. Происходит в несколько этапов.

1. Инициация

РНК-полимераза присоединяется к месту начала синтеза матричной (транскрибируемой) цепи ДНК.

Место, к которому присоединяется РНК-полимераза, называется ПРОМОТОР. Промотор связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что определяет направление транскрипции от 5′-конца к 3′-концу. В отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимеразе затравка для синтеза не нужна.

Как только РНК-полимераза покинула промотор, другая молекула РНК-полимеразы может присоединиться к промотору и инициировать синтез РНК.

2. Элонгация

РНК-полимераза передвигается по транскрибируемой цепи ДНК и синтезирует цепь иРНК. Нуклеотиды связываются комплементарно с матричной цепочкой ДНК водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей молекуле РНК.

Доп. инфа. Материалом для синтеза РНК служат не совсем нуклеотиды, а нуклеозидтрифосфаты. Если по-простому, то это нуклеотид, но только с тремя остатками фосфорной кислоты, а не с одним. При отщеплении от них остатков фосфорной кислоты образуются нуклеотиды, которые будут входить в состав цепи, и энергия, которая и пойдёт на синтез цепи РНК. В репликации ДНК также используются именно нуклеозидтрифосфаты.

3. Терминация

Окончание транскрипции. РНК-полимераза доходит до специального участка — терминатора. Готовая РНК и РНК-полимераза отсоединяются от ДНК.

У эукариот молекуле РНК после транскрипции ещё необходимо созреть. Пока её нельзя назвать полноценной (зрелой) иРНК, она пре-РНК (первичный транскрипт). У прокариот после транскрипции сразу идёт трансляция (процессинга нет).

03Созревание иРНК у эукариот (процессинг)

Превращение пре-РНК в зрелую РНК называется процессинг. Он состоит из нескольких этапов.

Модификация 5′-конца РНК (кэпирование) и 3′-конца (полиаденилирование)

В клетке есть ферменты, разрушающие молекулы РНК, — экзонуклеазы. Чтобы только что синтезированная РНК тотчас же не подверглась разрушению, её нужно защитить. Если этого не сделать, экзонуклеазы, как пираньи, «пообгрызают» от неё нуклеотиды.

Для того чтобы защитить РНК от экзонуклеаз, со стороны 5′-конца на неё надевается специальная молекула — КЭП (шапочка). Со стороны 3′-конца к РНК присоединяются цепочки адениловых нуклеотидов длиной ~250 нуклеотидных остатков (поли-А-хвост).

Вырезание интронов и сшивание экзонов (сплайсинг)

У ДНК эукариот есть информативные участки (экзоны) и неинформативные (интроны). Во время транскрипции на РНК переписываются как экзоны, которые нам нужны (в них закодирована информация о белке), так и интроны, в которых информации о белке не закодировано.

Именно поэтому после транскрипции клетке необходимо вырезать интроны из РНК и сшить экзоны между собой.

Сплайсинг осуществляют СПЛАЙСОСОМЫ — специальные комплексы, состоящие из ферментов и малых ядерных РНК (мяРНК) / малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП).

Альтернативный сплайсинг

Или как с одного гена синтезировать несколько белков.

Экзоны в РНК можно сшивать в разном порядке, получая тем самым с одного гена несколько разных иРНК и синтезируя с них разные белки.

Именно благодаря альтернативному сплайсингу генов в организме меньше, чем белков, которые с них синтезируются. Альтернативный сплайсинг активно используют лейкоциты при синтезе антител (иммуноглобулинов).

04Трансляция и генетический код

Синтез белка на матрице иРНК с помощью рибосом. В трансляции также принимают участие молекулы тРНК, которые доставляют аминокислоты к месту синтеза белка.

1 аминокислота закодирована на иРНК тремя нуклеотидами. Это называется КОДОН. На молекуле тРНК имеются антикодоны (последовательность из 3 нуклеотидов, комплементарная кодону).

Если антикодон тРНК комплементарен кодону на иРНК, то тРНК отдаёт аминокислоту, которая присоединяется к растущей полипептидной цепи. Кодоны, которыми закодированы аминокислоты, можно определить по таблице генетического кода (интерактивная таблица — во вкладке «Декодер ЕГЭ» выше).

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трёх нуклеотидов — триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

05Трансляция: этапы

1. Инициация

• тРНК, несущая метионин (с антикодоном УАЦ, который комплементарен старт-кодону АУГ), связывается с малой субъединицей рибосомы;
• Малая субъединица рибосомы с тРНК распознаёт иРНК (по КЭП, старт-кодону АУГ) и связывается с ней;
• Антикодон тРНК присоединяется к стартовому кодону АУГ;
• К иРНК присоединяется большая субъединица рибосомы и формируются функциональные центры рибосомы. тРНК с Мет находится в P-сайте рибосомы.

2. Элонгация

Функциональные центры рибосом

A-сайт (аминоацильный центр) — сюда заходит тРНК, связанная с аминокислотой (аминоацил-тРНК);

P-сайт (пептидильный центр) — тут находится пептидил-тРНК (тРНК с растущей полипептидной цепью);

E-сайт — место выхода тРНК.

• В АМИНОАЦИЛЬНЫЙ (A-сайт) центр рибосомы приходит вторая тРНК и соединяется своим антикодоном со следующим кодоном мРНК;
• Между аминокислотами образуется пептидная связь;
• тРНК уходит из рибосомы — рибосома перемещается на один кодон дальше по иРНК.

Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′-конца к 3′-концу.

3. Терминация

• В АМИНОАЦИЛЬНЫЙ центр попадает стоп-кодон УАА, УАГ, УГА;
• Для него не существует тРНК с соответствующим антикодоном;
• Ферменты отщепляют в ПЕПТИДИЛЬНОМ центре готовый полипептид от тРНК;
• Рибосома распадается.

06Про тРНК

1. Небольшие молекулы. Составляют около 15% всех РНК клетки;
2. Имеет 3 петли, на верхушке центральной находится антикодон — нуклеотидный триплет, соответствующий кодону определённой аминокислоты;
3. 1 тРНК переносит 1 аминокислоту;
4. Для каждой аминокислоты своя тРНК;
5. Присоединение аминокислоты к тРНК осуществляет специальный фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза.

07Особенности биосинтеза белка у про- и эукариот

У прокариот

• Транскрипция сопряжена с трансляцией;
• Процессинга нет;
• Транскрипция и трансляция происходят в цитоплазме клетки;
• Один вид РНК-полимеразы для синтеза всех видов РНК.

1 — ДНК; 2 — РНК-полимераза; 3 — иРНК; 4 — полипептид; 5 — рибосома

У эукариот

• Транскрипция происходит в ядре клетки;
• Трансляция происходит в цитоплазме клетки;
• Есть процессинг (созревание РНК);
• Разные виды РНК-полимераз для разных видов РНК.

Строение генов: прокариоты	Эукариоты
1. ДНК кольцевая	1. ДНК линейная
2. Гены собраны в кластеры — опероны	2. Опероны практически отсутствуют
3. Интроны отсутствуют	3. Есть деление на экзоны и интроны
4. Трансляция сопряжена с транскрипцией	4. Сопряжение трансляции и транскрипции отсутствует

08Модель лактозного оперона Ф. Жакоба и Ж. Моно

Оперон — это комплекс генов, кодирующих ферменты, входящие в одну функциональную группу или относящиеся к этапам одного биохимического процесса у прокариот.

Разбирать работу оперона будем на примере лактозного оперона кишечной палочки. На ДНК имеются структурные и регуляторные гены:

• Структурные гены кодируют структурные белки. Со структурных генов лактозного оперона будет происходить синтез ферментов, расщепляющих лактозу (лактазы);
• Регуляторные гены кодируют регуляторные белки (активаторы и репрессоры). Регуляторные белки регулируют работу оперона. Белки-активаторы могут связываться с оператором и активировать транскрипцию. Белки-репрессоры — наоборот: при их связывании с оператором транскрипция прекращается.

Когда кишечная палочка находится в среде, где есть сахар лактоза, то ей необходимо синтезировать ферменты (лактаза) для его расщепления. С лактозного оперона активно происходит транскрипция.

Но когда лактозы в окружающей среде нет, то синтез лактазы нецелесообразен. Зачем тратить энергию и ресурсы на синтез фермента, который не нужен? Правильно, незачем…

Вот именно поэтому, когда в окружающей среде нет лактозы, нам нужно остановить транскрипцию с лактозного оперона и прекратить синтез ферментов, расщепляющих лактозу. Для того чтобы это сделать, необходимо с гена-регулятора синтезировать белок-репрессор.

Белок-репрессор связывается с оператором на лактозном опероне. После того как он связался с оператором, РНК-полимераза больше не может осуществлять со структурных генов транскрипцию, так как белок-репрессор ей «мешается» и «не пускает». Из-за белка-репрессора РНК-полимераза не может покинуть область промотора и начать транскрипцию со структурных генов. Синтез лактазы не происходит. Таким образом, мы выключили транскрипцию со структурных генов.

09Гипотеза РНК-мира (рибозимы)

Долгое время люди не могли ответить на вопрос, что появилось раньше — РНК или белки?

Суть в том, что для синтеза РНК необходимы ферменты, которые имеют белковую природу. А для синтеза белков нужна матрица РНК.

В начале 1980-х годов в лабораториях Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК.

Рибозимы — молекулы РНК, которые могут выполнять роль биологических катализаторов (ферментов).

Учёные пришли к выводу, что молекулы РНК могли существовать абсолютно автономно и самостоятельно катализировать процессы, необходимые для их воспроизведения.

Таким образом, делаем вывод, что первыми появились именно молекулы РНК. Жизнь начала строиться на базе РНК. Потом уже появилась ДНК как постоянное хранилище генетической информации. ДНК более стабильна, чем РНК.