Теория:
Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков зависят от их первичной структуры, т. е. порядка соединения аминокислотных остатков в молекулах.
Информация о первичной структуре всех белков организма закодирована последовательностью нуклеотидов, образующих молекулы ДНК. В молекулах ДНК выделяют гены. Каждый ген соответствует одному белку.
Ген — это единица наследственности, представляющая собой участок ДНК, в котором закодирована первичная структура молекул одного белка.
В одной молекуле ДНК содержится много генов. Все гены данного организма образуют его генотип.
Биосинтез белка
Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.
Рис. \(1\). Этапы биосинтеза белка
Для каждого этапа биосинтеза требуются особые ферменты и АТФ.
Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до \(60\) тыс. пептидных связей.
Транскрипция
Транскрипция — это процесс переписывания наследственной информации с молекулы ДНК на информационную (матричную) РНК.
В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается». На одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.
Рис. \(2\). Транскрипция
Информационная (матричная) РНК одноцепочечная, она собирается на одной из нитей ДНК по правилу комплементарности.
Рис. \(3\). Комплементарность ДНК и РНК
Образуется молекула иРНК, которая является копией второй цепочки ДНК, только в ней тимин заменён на урацил. Закодированная в ДНК информация о первичной структуре белка таким образом переписывается на иРНК.
Как и в любой другой биохимической реакции, в этом процессе участвует фермент — РНК-полимераза.
Молекула ДНК содержит большое количество генов. Каждый ген начинается промотором — особым участком ДНК, состоящим из нескольких расположенных друг за другом нуклеотидов, который определяет РНК-полимераза, и с этого места начинает сборку молекулы иРНК.
Синтез иРНК продолжается до терминатора — последовательности, указывающей на завершение сборки иРНК.
В клетках прокариот иРНК образуется в цитоплазме, поэтому образовавшиеся молекулы могут сразу принимать участие в синтезе белков на рибосомах.
В клетках эукариот транскрипция происходит в ядре, поэтому иРНК сначала через поры в ядерной мембране выходит в цитоплазму.
Трансляция
Трансляция — это перевод информации, закодированной в иРНК, в первичную структуру молекулы белка.
Для сборки белковой молекулы в цитоплазме клетки должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Они образуются при расщеплении белков, поступающих с пищей, или синтезируются в самом организме.
Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК). Аминокислота попадает в рибосому только в комплексе с сответствующей тРНК.
На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом кодоне приблизительно \(0,2\) секунды.
К кодону, расположенному в активном центре рибосомы, присоединяется тРНК с комплементарным антикодоном. Соединённая с ней аминокислота образует пептидную связь к растущей полипептидной цепочкой. Затем рибосома перемещается на следующий кодон иРНК. В рибосоме оказывается тРНК с антикодоном, комплементарным следующему триплету в иРНК, и к образующейся молекуле белка присоединяется следующая аминокислота.
Рис. \(4\). Трансляция
Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так поэтапно собирается молекула белка.
Синтез полипептидной цепи заканчивается, когда в активном центре рибосомы оказывается стоп-кодон (УАА, УАГ или УГА). Молекула белка отсоединяется от рибосомы, выходит в ЭПС или цитоплазму и усложняется, образуя характерную вторичную, третичную и четвертичную структуры.
На одной иРНК одновременно находятся несколько рибосом и происходит синтез нескольких молекул белка. Рибосомы, которые связаны с одной иРНК и синтезируют один и тот же белок, образуют полисому.
Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.
Общая схема синтеза белка представлена на рисунке.
Рис. \(5\). Общая схема биосинтеза белка
Пример:
последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК: ААГ ГЦТ ТАГ.
При транскрипции на этой цепи по принципу комплементарности образуется участок иРНК с нуклеотидами УУЦ ЦГА АУЦ, на котором в результате трансляции образуется цепочка из аминокислот: фенилаланин — аргинин — серин.
При транскрипции на этой цепи по принципу комплементарности образуется участок иРНК с нуклеотидами УУЦ ЦГА АУЦ, на котором в результате трансляции образуется цепочка из аминокислот: фенилаланин — аргинин — серин.
Если в одном из триплетов произойдёт замена нуклеотидов или они поменяются местами, то может случиться так, что триплет станет кодировать какую-нибудь другую аминокислоту. Значит, произойдут изменения и в строении белка, закодированного данным геном, что может оказать влияние на процессы обмена веществ и изменить признаки организма.
Обрати внимание!
Нарушения последовательности нуклеотидов в ДНК или иРНК могут приводить к возникновению мутаций.
Источники:
Рис. 1. Этапы биосинтеза белка. https://image.shutterstock.com/image-vector/dna-replication-protein-synthesis-transcription-600w-1040732464.jpg
Рис. 2. Транскрипция. https://image.shutterstock.com/image-illustration/double-stranded-dna-copied-into-600w-757534681.jpg
Рис. 3. Комплементарность ДНК и РНК. © ЯКласс
Рис. 4. Трансляция. https://image.shutterstock.com/image-vector/scheme-translation-process-syntesis-mrna-600w-1314724547.jpg
Рис. 5. Общая схема биосинтеза белка. https://image.shutterstock.com/image-vector/protein-synthesis-vector-illustration-labeled-600w-1205986015.jpg