Биосинтез белков, Биология

И транскрипция, и трансляция относятся к матричным биосинтезам. Матричным биосинтезом называется синтез биополимеров (нуклеиновых кислот, белков) на матрице – нуклеиновой кислоте ДНК или РНК. Процессы матричного биосинтеза относятся к пластическому обмену: клетка расходует энергию АТФ.

Матричный синтез можно представить как создание копии исходной информации на несколько другом или новом “генетическом языке”. Скоро вы все поймете – мы научимся достраивать по одной цепи ДНК другую, переводить РНК в ДНК и наоборот, синтезировать белок с иРНК на рибосоме. В данной статье вас ждут подробные примеры решения задач, генетический словарик пригодится – перерисуйте его себе 🙂

Биосинтез белков, Биология

Возьмем 3 абстрактных нуклеотида ДНК (триплет) – АТЦ. На иРНК этим нуклеотидам будут соответствовать – УАГ (кодон иРНК). тРНК, комплементарная иРНК, будет иметь запись – АУЦ (антикодон тРНК). Три нуклеотида в зависимости от своего расположения будут называться по-разному: триплет, кодон и антикодон. Обратите на это особое внимание.

Репликация ДНК – удвоение, дупликация (лат. replicatio — возобновление, лат. duplicatio – удвоение)

Процесс синтеза дочерней молекулы ДНК по матрице родительской ДНК. Нуклеотиды достраивает фермент ДНК-полимераза по принципу комплементарности. Переводя действия данного фермента на наш язык, он следует следующему правилу: А (аденин) переводит в Т (тимин), Г (гуанин) – в Ц (цитозин).

Биосинтез белков, Биология

Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.

Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)

Транскрипция представляет собой синтез информационной РНК (иРНК) по матрице ДНК. Несомненно, транскрипция происходит в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: А – У, Т – А, Г – Ц, Ц – Г (загляните в “генетический словарик” выше).

Биосинтез белков, Биология

До начала непосредственно транскрипции происходит подготовительный этап: фермент РНК-полимераза узнает особый участок молекулы ДНК – промотор и связывается с ним. После связывания с промотором происходит раскручивание молекулы ДНК, состоящей из двух цепей: транскрибируемой и смысловой. В процессе транскрипции принимает участие только транскрибируемая цепь ДНК.

Транскрипция осуществляется в несколько этапов:

  • Инициация (лат. injicere — вызывать)
  • Образуется несколько начальных кодонов иРНК.

  • Элонгация (лат. elongare — удлинять)
  • Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.

  • Терминация (лат. terminalis — заключительный)
  • Достигая особого участка цепи ДНК – терминатора, РНК-полимераза получает сигнал к прекращению синтеза иРНК. Транскрипция завершается. Синтезированная иРНК направляется из ядра в цитоплазму.

Биосинтез белков, Биология

Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)

Куда же отправляется новосинтезированная иРНК в процессе транскрипции? На следующую ступень – в процесс трансляции. Он заключается в синтезе белка на рибосоме по матрице иРНК. Последовательность кодонов иРНК переводится в последовательность аминокислот.

Биосинтез белков, Биология

Перед процессом трансляции происходит подготовительный этап, на котором аминокислоты присоединяются к соответствующим молекулам тРНК. Трансляцию можно разделить на несколько стадий:

  • Инициация
  • Информационная РНК (иРНК, синоним – мРНК (матричная РНК)) присоединяется к рибосоме, состоящей из двух субъединиц. Замечу, что вне процесса трансляции субъединицы рибосом находятся в разобранном состоянии. Первый кодон иРНК, старт-кодон, АУГ оказывается в центре рибосомы, после чего тРНК приносит аминокислоту, соответствующую кодону АУГ – метионин.

  • Элонгация
  • Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет. Доставка нужных аминокислот осуществляется благодаря точному соответствию 3 нуклеотидов (кодона) иРНК 3 нуклеотидам (антикодону) тРНК. Язык перевода между иРНК и тРНК выглядит как: А (аденин) – У (урацил), Г (гуанин) – Ц (цитозин). В основе этого также лежит принцип комплементарности. Биосинтез белков, Биология Движение рибосомы вдоль молекулы иРНК называется транслокация. Нередко в клетке множество рибосом садятся на одну молекулу иРНК одновременно – образующаяся при этом структура называется полирибосома (полисома). В результате происходит одновременный синтез множества одинаковых белков. Биосинтез белков, Биология

  • Терминация
  • Синтез белка – полипептидной цепи из аминокислот – в определенный момент завершатся. Сигналом к этому служит попадание в центр рибосомы одного из так называемых стоп-кодонов: УАГ, УГА, УАА. Они относятся к нонсенс-кодонам (бессмысленным), которые не кодируют ни одну аминокислоту. Их функция – завершить синтез белка.

Существует специальная таблица для перевода кодонов иРНК в аминокислоты. Пользоваться ей очень просто, если вы запомните, что кодон состоит из 3 нуклеотидов. Первый нуклеотид берется из левого вертикального столбика, второй – из верхнего горизонтального, третий – из правого вертикального столбика. На пересечении всех линий, идущих от них, и находится нужная вам аминокислота 🙂

Биосинтез белков, Биология

Давайте потренируемся: кодону ЦАЦ соответствует аминокислота Гис, кодону ЦАА – Глн. Попробуйте самостоятельно найти аминокислоты, которые кодируют кодоны ГЦУ, ААА, УАА.

Кодону ГЦУ соответствует аминокислота – Ала, ААА – Лиз. Напротив кодона УАА в таблице вы должны были обнаружить прочерк: это один из трех нонсенс-кодонов, завершающих синтез белка.

Примеры решения задачи №1

Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.

“Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода”

Биосинтез белков, Биология

Объяснение:

По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).

Пример решения задачи №2

“Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ.

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК”

Биосинтез белков, Биология

Обратите свое пристальное внимание на слова “Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК “. Эта фраза кардинально меняет ход решения задачи: мы получаем право напрямую и сразу синтезировать с ДНК фрагмент тРНК – другой подход здесь будет считаться ошибкой.

Итак, синтезируем напрямую с ДНК фрагмент молекулы тРНК: АУЦ-ГУУ-УГЦ-ЦГА-УГГ. Это не отдельные молекулы тРНК (как было в предыдущей задаче), поэтому не следует разделять их запятой – мы записываем их линейно через тире.

Третий триплет ДНК – АЦГ соответствует антикодону тРНК – УГЦ. Однако мы пользуемся таблицей генетического кода по иРНК, так что переведем антикодон тРНК – УГЦ в кодон иРНК – АЦГ. Теперь очевидно, что аминокислота кодируемая АЦГ – Тре.

Пример решения задачи №3

Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.

Один триплет ДНК состоит из 3 нуклеотидов, следовательно, 150 нуклеотидов составляют 50 триплетов ДНК (150 / 3). Каждый триплет ДНК соответствует одному кодону иРНК, который в свою очередь соответствует одному антикодону тРНК – так что их тоже по 50.

По правилу Чаргаффа: количество аденина = количеству тимина, цитозина = гуанина. Аденина 20%, значит и тимина также 20%. 100% – (20%+20%) = 60% – столько приходится на оставшиеся цитозин и гуанин. Поскольку их процент содержания равен, то на каждый приходится по 30%.

Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂

Биосинтез белка в клетке: процессы, этапы и последовательность синтеза клеточных белков

В клетках непрерывно идут процессы обмена веществ — процессы синтеза и распада веществ. Каж­дая клет­ка син­те­зи­ру­ет необ­хо­ди­мые ей ве­ще­ства. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся био­син­те­зом. 

Био­син­тез — это про­цесс со­зда­ния слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ в ходе био­хи­ми­че­ских ре­ак­ций, про­те­ка­ю­щих с по­мо­щью фер­мен­тов. Биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт. 

Одним из важнейших процессов биосинтеза в клетке является процесс биосинтеза белков, который включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке — это реакции матричного синтеза. Матричный синтез — это синтез новых молекул в соответствии с планом, заложенным в других уже существующих молекулах. 

Биосинтез белков, Биология

Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков.

Последовательность аминокислот в каждом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене — участке ДНК, кодирующем именно этот белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК и иРНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом — в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц), а белки — из 20 видов аминокислот.

Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Генетический код — соотношения нуклеотидных последовательностей и аминокислот, на основе которых осуществляется такой перевод.

 

Процесс синтеза белка в клетке можно разделить на два этапа: транскрипция и трансляция. 

Биосинтез белков, БиологияЭтапы синтеза белка в клетке‍

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК на участке молекулы ДНК

Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, основную работу из которых осуществляет транскриптаза. В этом процессе матрицей является молекула ДНК.

Биосинтез белков, Биология

Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся.

Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка.

На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путём син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Копировать информацию, хотя она уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам: синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму. А маленькая копия её участка — иРНК — может транспортироваться в цитоплазму.

После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’ конец подвешивается КЭП для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК.

На 3’ конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков).

После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

Транскрипция пошагово:

  1. РНК полимераза садится на 3’ конец транскрибируемой цепи ДНК.
  2. Начинается элонгация — полимераза «скользит» по ДНК в сторону 5’ конца и строит цепь иРНК, комплементарную ДНК.
  3. Полимераза доходит до конца гена, «слетает» с ДНК и отпускает иРНК.
  4. После этого происходит процесс созревания РНК — процессинг.

Проверьте себя: помните ли вы принцип комплементарности? Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть правило комплементарности

Трансляция — второй этап биосинтеза белка

Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. 

Что же происходит в клетке? Трансляция представляет собой непосредственно процесс построения белковой молекулы из аминокислот. Трансляция происходит в цитоплазме клетки. В трансляции участвуют рибосомы, ферменты и три вида РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Глав­ным по­став­щи­ком энер­гии при трансляции слу­жит мо­ле­ку­ла АТФ — аде­но­з­ин­три­фос­фор­ная кис­ло­та. 

Биосинтез белков, Биология

Во время транс­ля­ции нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­во­дят­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле по­ли­пеп­тид­ной цепи. Этот про­цесс идёт в ци­то­плаз­ме на ри­бо­со­мах.

Об­ра­зо­вав­ши­е­ся ин­фор­ма­ци­он­ные РНК вы­хо­дят из ядра через поры и от­прав­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам. Ри­бо­со­мы — уни­каль­ный сбо­роч­ный ап­па­рат. Ри­бо­со­ма сколь­зит по иРНК и вы­стра­и­ва­ет из опре­де­лён­ных ами­но­кис­лот длин­ную по­ли­мер­ную цепь белка.

Ами­но­кис­ло­ты до­став­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам с по­мо­щью транс­порт­ных РНК. Для каж­дой ами­но­кис­ло­ты тре­бу­ет­ся своя транс­порт­ная РНК, ко­то­рая имеет форму три­лист­ни­ка.

У неё есть уча­сток, к ко­то­рому при­со­еди­ня­ет­ся ами­но­кис­ло­та и дру­гой три­плет­ный ан­ти­ко­дон, ко­то­рый свя­зы­ва­ет­ся с ком­пле­мен­тар­ным ко­до­ном в мо­ле­ку­ле иРНК.

Це­поч­ка ин­фор­ма­ци­он­ной РНК обес­пе­чи­ва­ет опре­де­лён­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в це­поч­ке мо­ле­ку­лы белка.

Время жизни ин­фор­ма­ци­он­ной РНК ко­леб­лет­ся от двух минут (как у неко­то­рых бак­те­рий) до несколь­ких дней (как, на­при­мер, у выс­ших мле­ко­пи­та­ю­щих).

Затем ин­фор­ма­ци­он­ная РНК раз­ру­ша­ет­ся под дей­стви­ем фер­мен­тов, а нук­лео­ти­ды ис­поль­зу­ют­ся для син­те­за новой мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Таким об­ра­зом, клет­ка кон­тро­ли­ру­ет ко­ли­че­ство син­те­зи­ру­е­мых бел­ков и их тип.

Трансляция пошагово:

  1. Рибосома узнаёт КЭП, садится на иРНК. 
  2. На Р-сайт рибосомы приходит первая тРНК с аминокислотой. 
  3. На А-сайт рибосомы приходит вторая тРНК с аминокислотой. 
  4. АК образуют пептидную связь.

     

  5. Рибосома делает шаг длиною в один триплет. 
  6. На освободившийся А-сайт приходит следующая тРНК. 
  7. АК образуют пептидную связь. 
  8. Процессы 5–7 продолжаются, пока рибосома не встретит стоп-кодон.

     

  9. Рибосома разбирается, отпускает полипептидную цепь. 

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Резюме

Теперь вы знаете, что биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт. Процесс биосинтеза белков включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке, — это реакции матричного синтеза. 

Син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов: тран­скрип­ции (об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ци­он­ной РНК по мат­ри­це ДНК, про­те­ка­ет в ядре клет­ки) и транс­ля­ции (эта ста­дия про­хо­дит в ци­то­плаз­ме клет­ки на ри­бо­со­мах). Эти этапы сменяют друг друга и состоят из последовательных процессов.

Биосинтез белка кратко и понятно

Процесс синтеза в биологии, как и в любой другой отрасли — это образование сложных структур из менее сложных.

При этом строение составных элементов может частично, или даже полностью сохраняться в неизменном виде, а может полностью изменяться.

В первом случае синтез напоминает строительство конструкций из кубиков Лего, а во втором — образование сложных сплавов, солей и гидроксидов, свойства которых совершенно другие и ничем не напоминают исходные элементы.

Биосинтез — один из самых сложных видов таких преобразований исходных компонентов. Сюда входят процессы формирования ДНК из отдельных нуклеотидов, строительство белков из аминокислот, фотосинтез. Биосинтез может происходить (и происходит как естественным путем, в организме человека, животных и некоторых растений, так и искусственным — производство белковых питательных веществ.

Это один из самых важных процессов в организме человека. Все характерные признаки и функции каждой клетки определяются белковой структурой.

Сложность существования организма на клеточном уровне определяется тем, что длительность жизни белка непродолжительна.

Без постоянного синтеза новых молекул клетки не смогут восстанавливаться и функционировать надлежащим образом. Синтезируются тысячи белковых структур, и это только в пределах одной клетки.

Биосинтез белков, Биология

Рис.1. Структура ДНК

Исследования в области биосинтеза белков начались в 40-х годах прошлого столетия и дляться до сих пор. Самые важные открытия совершили Макс Бергманн, Джек Шульц, Торбьерн Касперссон, Раймонд Джиннер и другие ученые. В 50-х годах Ф.

Крик установил правило синтеза, ставшее аксиомой — ДНК → РНК → белок. Свойства конкретного белка определяются  последовательностью расположения аминокислот в  молекулах.

За правильное размещение структурных элементов отвечают гены — части ДНК, в которых зашифрована минимальная часть наследственной информации.

Каждый белок синтезируется по одной схеме, состоящей из двух этапов, получивших название транскрипции и ретрансляции. В свободном переводе, это снятие информации с гена ДНК и передаче ее на строящиеся аминокислоты. Техника такой передачи достаточно сложная и энергоемкая, без притока внешней энергии она невозможна.

Биосинтез белков, Биология

Рис 2. Схема биосинтеза

Транскрипция

На первом этапе транскрипции с цепочки ДНК снимается абсолютно точная копия, в результате которой получается идентичная с исходной цепочка РНК.

Для такой информационной копии нужен катализатор, в роли которого выступают ферменты, и источник питания, в случае синтеза белка — это АТФ.

Процесс синтеза происходит с высокой скоростью — в пределах одного организма за минуту осуществляется до 60 000 связей на уровне пептидов.

Биосинтез белков, Биология

Рис 3. Сравнение ДНК и РНК.

Двойная цепочка ДНК расположена в ядре клетки в виде спирали. В начале транскрипции она разматывается и на одной из частей начинается синтез иРНК, так называемая информационная.

Это одинарная цепь, точно повторяющая структуру  ДНК. Поэтому реакции биосинтеза белка называют матричными.  Вместо тимина, находящегося в нематричной цепочке ДНК, в иРНК используется  урацил.

В качестве катализатора «работает» РНК-полимераза.

Сложность возникает в том, что генов в молекуле ДНК очень много, а копировать нужно только один из них, причем, строго определенный. То есть, начинать снятие информации РНК должна не только в заданный момент, но и с заданного места.

Для исключения ошибок в начале каждого фрагмента ДНК расположен специальный маркер, комбинация нуклеотидов под названием «промотор». Копирование с такого маркера начинается и на таком же, но с противоположной стороны, заканчивается.

Конечный маркер получил название «терминатор».

Трансляция

Для построения нового белка в клетке должен быть набор необходимых аминокислот, которые вырабатываются в организме, или получаются при переваривании поступающей извне пищи. Это говорит о том, что для полноценной деятельности организма питание должно быть полным и сбалансированным, с достаточным количеством белка. Аминокислоты, в основном, поступают после расщепления пищевого белка.

Поступающие аминокислоты переносятся специальными транспортными РНК, которые реагируют на информацию в виде кодона, единицы генетического кода.

На аминокислоте должен быть соответствующий тринуклелеотид — антикодон. На рибосоме закрепится только та аминокислота, код которой подходит. На каждый элемент цепочки уходит 0,2 с.

Именно на такое время останавливается рибосома, движущаяся по цепочке иРНК.

Между аминокислотами, поступающими на рибосому на каждом последующем участке, формируются пептидные связи. Они возникают благодаря наличию в начале участка одной аминокислоты аминогруппы, а на соответствующем конце соседней — карбоксильной группы. Связь возникает прочная и неразрывная.

Белковая цепочка заканчивает формирование после контакта рибосомы к определенным маркером, обозначающим конец этого этапа синтеза.

Цепочка аминокислот отрывается от иРНК и передвигается в цитоплазму, для формирования вторичных и третичных структур.

Процесс синтеза происходит непрерывно, после перехода рибосомы на следующую позицию на ее место тут же заступает другая и копирует цепочку с иРНК. Выполнившая свою задачу рибосома переходит на другую РНК и формирует другой белок.

Биосинтез белка – понятие, последовательность процессов и основные этапы

Биосинтез белка – важная часть пластического обмена всех клеток. Рассматривает данный процесс наука биология. В результате образуются специфичные вещества, характерные для данного организма. Происходит воспроизведение наследственной информации.

Образование белка является многоступенчатым процессом. 

Чтобы запустить реакции образования вещества, осуществляется целый ряд последовательных событий:

  1. Транскрипция – это реакции переписывания наследственной информации с макромолекулы ДНК на матричную РНК. Ее называют также информационной. Краткое обозначение: м-РНК, и-РНК. Процесс протекает в ядре клетки.

  2. Перемещение и-РНК к месту синтеза белка.

  3. Трансляция – это перенос информации о чередовании нуклеотидов м-РНК на макромолекулу белка. Процесс идёт вне ядра.

Где происходит синтез белка

Образование высокомолекулярного соединения протекает в цитоплазме. Именно здесь находятся органоиды, на которых осуществляется данный процесс. Рибосома представляет собой две части: малую и большую. Чтобы биосинтез белка начался, необходимо доставить информацию из ядра в цитоплазму.

Ядро эукариот хранит информацию о первичной структуре природных полимеров. Её называют наследственной. Эта важная информация должна быть без искажения перенесена к месту синтеза белка.

С этой целью в ядре идут матричные реакции. На одной из цепей ДНК синтезируется и-РНК. Именно она является посредником между двумя частями клетки.

Этапы биосинтеза белка

Транскрипция

Процесс протекает в ядре. ДНК образована большим количеством нуклеотидов. Это единица макромолекулы. Она включает в свой состав 3 компонента:

  • углевод, представленный пентозой – дезоксирибозой;
  • минеральную кислоту – фосфорную;
  • органическое соединение, относящееся к классу азотистых оснований.

В составе ДНК могут содержаться 4 разных основания. Они имеют краткое обозначение, по первой букве названия:

  • А – аденин;
  • Г – гуанин;
  • Ц – цитозин;
  • Т – тимин.

Именно этими основаниями и отличаются нуклеотиды. Чередование 3 нуклеотидов образует триплет. Один триплет соответствует одной аминокислоте. Вопрос соответствия аминокислот триплетам изучен и указан в таблице генетического кода.

Последовательность триплетов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, отвечающей за синтез одного белка, называют геном. Между разными генами расположены триплеты, которые не соответствуют аминокислотам. Их называют стоп-кодонами. Они служат сигналом начала и окончания гена.

Для осуществления транскрипции, участок макромолекулы ДНК раскручивается. Он выполняет роль матрицы. На нём выстраивается и-РНК. Осуществляется синтез по принципу соответствия. Еще его называют комплементарностью.

РНК также имеет нуклеотидное строение. Вместо дезоксирибозы присутствует углевод рибоза. Содержится остаток ортофосфорной кислоты. Третьим компонентом является азотистое основание. Три основания одинаковые – А, Г, Ц в ДНК и РНК. Четвертое основание рибонуклеиновой кислоты – урацил (У).

Комплементарными основаниями являются: Т – А, А – У, Г – Ц, Ц – Г. В парах комплементарных оснований первое соответствует ДНК, второе – РНК. Таким образом, на макромолекуле ДНК по принципу соответствия выстраивается и-РНК. В дальнейшем цепь РНК транспортируется через ядерную мембрану к месту синтеза белка.

Трансляция

Процесс идет на органоидах – рибосомах. Они нанизываются на цепь и-РНК, передвигаются по ней не плавно, а прерывисто. Располагаются таким образом, что внутри рибосомы находится полностью 1-2 триплета. На одну РНК может одновременно нанизываться большое количество рибосом.

В процессе принимают участие т-РНК. Они имеют пространственную структуру, принимают форму трилистника. Верхняя часть листа, то есть молекулы, содержит антикодон. Это триплет, распознающий кодон (один триплет) и-РНК.

Каждая т-РНК транспортирует к рибосоме строго определенную аминокислоту. Если триплет-антикодон т-РНК распознает триплет-кодон и-РНК, тогда аминокислота встраивается в макромолекулу белка. Следующая т-РНК подтаскивает другую аминокислоту, снова идет процесс распознавания. В данном случае также идет матричный процесс сборки белка. РНК служит матрицей для синтеза белка.

Как только белковая молекула синтезирована, она освобождается от рибосомы. Правильное чередование аминокислот в макромолекуле образует первичную структуру белковой молекулы. Она является определяющей, поэтому так важен матричный синтез белков. Другие структуры белковые макромолекулы приобретают самопроизвольно.

Процессы, ведущие к синтезу белка, можно кратко изобразить на схеме:

  1. Первый этап – реакции, идущие в кариоплазме. Раскручивание ДНК. Транскрипция. Образование м-РНК.

  2. Второй этап – транспорт м-РНК к рибосомам.

  3. Третий этап – реакции, идущие в цитоплазме. Трансляция. Биосинтез белковой молекулы, протекающий при участии РНК, клеточных органоидов – рибосом.

Заключение

В реакциях матричного синтеза происходит реализация наследственной информации. В каждом организме синтезируются специфичные белковые молекулы. Они вместе с углеводами и жирами накапливаются в плодах растений. В организмах животных выполняют множество разнообразных функций.

Биосинтез белка

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 комплиментарности.

Весь процесс выглядит такВесь процесс выглядит так

Принцип комплиментарности — 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.

Тут нарисованы две цепи ДНКТут нарисованы две цепи ДНК

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 репликациюРНК-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 комплиментарности — 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 цепи4) РНК записывается в направлении от 5' к 3', так как РНК-полимераза работает только в этом направлении5) 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 выстриваются в определенной последовательности.2) Транспортная РНК (тРНК) — транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка3) 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 гадон, а кодон, от слова «код»))

АУГАЦУ — цепь иРНК, Мет (метионин) и Тре (треонин) — аминокислоты.АУГАЦУ — цепь иРНК, Мет (метионин) и Тре (треонин) — аминокислоты.

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 аминокислотаВырожденность — 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. потмоу что триплеты сместятся и это будут уже совсем другие аминокислоты! Чтобы этого не проиходило, 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 генетичекого кода:1) Код триплетен2) Код однозначен3) Код вырожден4) Код непрерывен5) Код неперекрываем6) 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.

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!

Ссылка на основную публикацию