Сегодня мы разберемся, как наше тело создает белки по инструкции, которая заложена в нашей ДНК.
Именно в этом процессе заключена тайна того, как реализуется информация с ДНК, каким образом мы строим наше тело именно так, как в ней записано.
Белки — самый разнообразный по функциям класс органических соединений, сложно найти в организме хоть одну функцию, за которую не отвечали бы белки. В ДНК «записано» как построить любой белок нашего организма. Но как этот процесс происходит? Сейчас узнаем ;)
Матричные процессы
Напоминаю, что процессы синтеза ДНК, РНК и белков в биологии называют матричными, потому что новые вещества синтезируются строго по шаблону, то есть по матрице. Транскрипция — синтез РНК по шаблону ДНК, трансляция — синтез белка по шаблону РНК, репликация — синтез ДНК по шаблону ДНК.
Нас сейчас будут интересовать два процесса — транскрипция и трансляция.
ДНК находится в ядре клетки и никуда из него не выходит (только когда клетка делится) — длина ДНК в каждой клетки нашего тела целых 2 метра (как помещается? Просто хорошо упакована) вытаскивать ее оттуда ради какого-то белка — так себе идея. При этом нужно помнить, что ДНК содержит информацию для синтеза десяток тысяч белков! Если нам нужен один конкретный — мы просто скопируем нужный для его синтеза кусочек ввиде РНК и уже с РНК будем синтезировать белок.
Этот процесс называется транскрипция — синтез РНК с матрицы ДНК.
После транскрипции, РНК выходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосоме и начинается трансляция — синтез белка по матрице иРНК.
Рибосома — органелла, которая синтезирует белок
Как запомнить, что такое трансляция, а что — транскрипция?
Транскрипция — как в английском языке, когда мы с помощью странных символов записываем, как произносится слово, что-то типа перевода с одного языка на другой. Также и в биологии, запомним как перевод с языка ДНК на язык РНК (можно даже буквы приплести, в ДНК нуклеотиды — А,Т, Г,Ц, а в РНК — А,У, Г, Ц).
Трансляция — итог, сам синтез белка. Можно представить картинки — рибосома публично на площади зачитывает РНК и командует постройкой белка, транслируя информацию о нем. Или более современно — рибосома ведет прямую трансляцию в инсту/ютуб/вк/тик-ток, как приготовить белок.
Транскрипция
Еще раз — синтез РНК по матрице ДНК
Происходит этот процесс у эукариот в ядре, что логично — ведь участвует ДНК.
Напомню, что ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. ДНК — Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин, РНК — почти то же самое, но вместо Тимина — Урацил. Комбинация этих нуклеотидов в цепи — и есть информация. В зависимости от их последовательности в итоге будут получаться разные белки.
Две цепи ДНК также как и при репликации расплетаются в нужном месте, чтобы был доступ к азотистым основаниям нуклеотидов, которые связываются по принципу комплементарности.
Принцип комплементарности — Аденин соответствует Тимину (или Урацилу в РНК), Гуанин — Цитозину.
Синтез РНК идет с одной цепи ДНК, эта цепь называется транскрибируемой (ну логично, она же участвует в транскрипции), а другая цепь, с которой не идет синтез РНК, называется смысловой (так как по составу нуклеотидов она почти полностью совпадает с РНК, разница лишь в тимине/урациле).
Также не забываем про антипараллельность — там где у одной цепи 3'-конец, у другой 5'-конец и наоборот.
Транскрипцию осуществляет специальный фермент — РНК-полимераза. Выстраивать нуклеотиды новой цепи он может только от 5' к 3' концу (как и ДНК-полимераза)
ДНК-полимераза делает ДНК, осуществляет репликацию
РНК-полимераза делает РНК, осуществляет транскрипцию
Значит перед тем, как записать РНК, нам нужно убедиться, что транскрипционная ДНК (с которой будет идти синтез), развернута в направлении от 3' к 5'.
На этой картинке мы видим:
1) Принцип комплементарности — Аденину в ДНК соответствует Урацил в РНК, Тимину в ДНК соответствует Аденин в РНК, Гуанину — Цитозин и Цитозину — Гуанин. Обратите внимание, где аденин там урацил, где тимин, там аденин.
2) Принцип антипараллельности — там где у ДНК 3' — у РНК 5' и наоборот.
3) Транскрипция идет с транскрибируемой цепи
4) РНК записывается в направлении от 5' к 3', так как РНК-полимераза работает только в этом направлении
5) Между Аденином и Урацилом, Тимином и Аденином — двойная водородная связь, а между Гуанином и Цитозином — тройная.
Любой вид РНК синтезируется на матрице ДНК с помощью процесса транскрипции — и тРНК, и рРНК, и иРНК
Трансляция
Синтез белка рибосомами с помощью матрицы иРНК
После того, как РНК синтезирована, она выходит из ядра через поры и попадает в цитоплазму — жидкое содержимое клетки.
Есть три вида РНК и все они участвуют в процессе трансляции:
1) Информационная РНК (иРНК или мРНК) — матрица, инструкция, по которой аминокислоты выстраиваются в определенной последовательности.
2) Транспортная РНК (тРНК) — транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка
3) Рибосомальная РНК (рРНК) — просто входит в состав рибосомы, как каркас.
Процесс трансляции происходит в специальном органоиде — рибосоме. Это как молекулярный завод по производству белков. Рибосома состоит из двух субъединиц — большой и малой. При трансляции иРНК протаскивается между ними.
Рибосомы могут свободно плавать в цитоплазме или быть прикрепленными к шероховатому Эндоплазматическому Ретикулуму. Первый вариант используется если белок останется в клетке, второй — если его надо куда-то потом транспортировать.
Как же именно рибосома расшифровывает последовательность ДНК, чтобы понять, куда какой нуклеотид?
Сначала разберемся в том, как работает генетический код.
Свойства генетического кода
Для этого используется триплетный код — каждые три нуклеотида соответствуют какой-то аминокислоте.
Триплет — три нуклеотида, иногда еще его называют кодон (не гандон, а кодон, от слова «код»))
При этом важно понять, что три нуклеотида кодируют только одну, конкретную аминокислоту, но при этом одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько триплетов. Это отражается в еще двух свойствах генетического кода:
Однозначность — каждому триплету соответствует одна аминокислота
Вырожденность — одной аминокислоте могут соответствовать несколько триплетов.
Как разобраться в этой мути?
Представить, что было бы, будь все по-другому.
1) Порядок расположения аминокислот в белке определяет его свойства, если в белке идет сначала мет, потом тре — то так и должно быть, если там будут другие аминокислоты — он просто не сможет правильно работать. Триплет АУГ кодирует метионин, если бы он кодировал еще какие-то аминокислоты — была бы полная неразбериха и анархия. Поэтому нужно правило однозначности — один триплет — строго одна аминокислота. АУГ — мет, АЦУ — тре и тд.
2) Аминоксилот, нужных для построения белка всего 20, а сочетаний нуклеотидов в триплете аж 64! Логично, что будут повторы и одну и ту же аминокислоту будут кодировать разные триплеты. Например, триплеты ЦЦА, ЦЦУ, ЦЦГ, ЦЦЦ — все колируют аминокислоту пролин. То есть код избыточен (вырожден — синоним)
Посмотрим на таблицу генетического кода — это как словарь-переводчик, какому триплету какая аминокислота соответствует
Обратите внимание, что перед тем как читать иРНК по таблице генетического кода, нужно убедиться, что она у вас записана от 5' к 3' — рибосома читает ее в этом направлении. Таблицу на ЕГЭ вам дадут, учить ее не надо, только понимать как использовать.
Еще одно свойство — код непрерывен.
Это значит, что между триплетами нет никаких промежутков — «знаками препинания» являются сами триплеты — стоп-кодоны используются как сигнал прекратить синтез, старт-кодоны — как сигнал начать синтез с этого места. Старт-кодон — ауг, он синтезирует метионин, с него всегда начинается полипептидная цепь. Стоп-кодоны — УАА, УАГ, УГА — им не соответствует никакая аминокислота, поэтому когда они проходят через рибосому, она просто прекращает синтез — белок готов.
Если каждые три нуклеотида кодируют определенную аминокислоту (либо стоп), то что будет, если последовательность съедет? Например у нас есть цепь -АУГГЦАУУЦ- мы ее можем разбить на триплеты так АУГ-ГЦА-УУЦ, а можем так -А-УГГ-ЦАУ-УЦ-, или так -АУ-ГГЦ-АУУ-Ц-. Будет катастрофа. потому что триплеты сместятся и это будут уже совсем другие аминокислоты! Чтобы этого не происходило, код обладает еще одни свойством:
Код неперекрываем — считывание идет триплет за триплетом, строго в рамке считывания.
Рамка считывания — порядок, по которому мы берем по три нуклеотида в кодон (кодон=триплет).
И наконец последнее свойство — код универсален — для любых живых организмов таблица генетического кода одинакова. Одни и те же триплеты соответствуют одним и тем же аминокислотами и у тебя и у древней бактерии.
Это дает возможность для создания трансгенных организмов). Ну и конечно же показывает нам, что все имеет некого общего предка и развивается по похожим молекулярным принципам.
Еще раз свойства генетического кода:
1) Код триплетен
2) Код однозначен
3) Код вырожден
4) Код непрерывен
5) Код неперекрываем
6) Код однозначен
Попробуй сейчас самостоятельно вспомнить, что значат эти свойства — а потом вернись и проверь себя.
Как работает рибосома?
Рибосома ползет по информационной РНК, когда триплет попадает в первый сайт (место) в рибосоме — из цитоплазмы подбирается транспортная РНК (как крест на схеме) с соответствующим антикодоном, которая несет нужную аминокислоту.
Кодон — триплет информационной РНК(на схеме в рибосоме ЦГУ, АЦГ)
Антикодон — триплет транспортной РНК (на схеме в рибосоме ГЦА, УГЦ)
Затем во второй сайт заходит вторая транспортная РНК. Между аминокислотами, которые они принесли выстраивается пептидная связь. Рибосома сдвигается на один триплет и процесс продолжается.
Чтобы разобраться в этой теме, я очень советую посмотреть анимационные видео на ютубе.
Отличия биосинтеза белка у прокариот и эукариот
У эукариот есть ядро, значит транскрипция у них идет в ядре, а трансляция — на рибосомах в цитоплазме (ну или на шероховатом ЭПР)
У прокариот ядра нет — у них и транскрипция и трансляция могут происходить одновременно в цитоплазме. При этом к одной иРНК может прикрепляться несколько рибосом одновременно, такая структура называется полисома и есть только у прокариот (бактерий).
Поздравляю тебя с завершением изучения одной из важнейших тем биологии! Хорошая ее проработка поможет тебе набрать максимум баллов за 27 задачу. Чтобы обучение было эффективным, попробуй сейчас по памяти воспроизвести что ты запомнил, а потом еще раз пробегись глазами по статье. Ну и не забудь посмотреть видео про трансляцию. Удачи!