От ДНК до белка: направление транскрипции, кодоны и работа рибосомы
Как последовательность ДНК задаёт порядок аминокислот, если рибосома не читает ДНК? Пройдём путь от матричной цепи к иРНК, от зарядки тРНК кодазой к трём стадиям трансляции. Полная таблица стандартного кода и разобранные задачи помогут самостоятельно проверить направления, антикодоны и рамку считывания.
Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс
Наследственная информация и реализация её в клетке
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Матричный синтез
- Комплементарность и антипараллельность
- Асимметричность транскрипции
- РНК-полимераза и промотор
- Транскрипция и обработка иРНК
- Генетический код и его свойства
- Кодон, антикодон и рамка считывания
- Аминоацил-тРНК-синтетаза (кодаза) и заряженная тРНК
- Инициация, элонгация и терминация трансляции
- Роль тРНК и рибосомы
- Полирибосома (полисома)
- Кодирование аминокислот и влияние вариантов последовательности
Как это устроено
1. Откуда берётся иРНК. При инициации транскрипции РНК-полимераза и необходимые факторы узнают промотор и локально раскрывают ДНК. При элонгации полимераза читает матричную цепь 3′→5′, а новую РНК строит 5′→3′: A матрицы соответствует U РНК, T — A, G — C, C — G. При терминации синтез данного транскрипта завершается и РНК освобождается. Для одного транскрипта матрицей служит одна цепь; другой ген может быть ориентирован противоположно. Кодирующая, нематричная цепь ДНК имеет ту же последовательность, что и соответствующая РНК в направлении 5′→3′, с T вместо U, до учёта обработки РНК.
2. ДНК → пре-иРНК → зрелая иРНК у эукариот. В типичном ядерном белок-кодирующем гене полимераза переписывает экзоны и интроны. К 5′-концу РНК добавляется защитный кэп, при сплайсинге удаляются интроны и соединяются экзоны, 3′-конец большинства таких РНК расщепляется и получает поли-А-хвост. Обработка часто начинается ещё во время транскрипции; это не обязательно три полностью раздельных события. Зрелая иРНК выходит в цитоплазму. У бактерий нет ядра, и рибосома может начать трансляцию ещё не законченной иРНК. Не следует превращать это сравнение в утверждение, что у прокариот вообще нет обработки любых РНК: их тРНК и рРНК также созревают.
3. Первый уровень точности — зарядка тРНК. Кодаза связывает правильную аминокислоту и узнаваемую ею тРНК, использует АТФ и присоединяет аминокислоту к концу 3′-CCA. АТФ превращается в АМФ и пирофосфат, поэтому это не обычное АТФ → АДФ. Второй уровень — узнавание кодона антикодоном на рибосоме. Рибосома проверяет прежде всего соответствие кодона и тРНК, а не химическое название её груза. В мысленном опыте неправильно заряженная тРНК может доставить неподходящую аминокислоту даже при правильном спаривании антикодона. Поэтому «подходящий антикодон» и «правильная зарядка» — два разных условия точности.
4. Инициация трансляции устанавливает рамку. Малая субъединица с факторами начала, иРНК и инициаторной тРНК формирует начальный комплекс; затем присоединяется большая субъединица. Инициаторная тРНК оказывается в P-участке, а следующий кодон — в A-участке. У большинства ядерных иРНК эукариот поиск подходящего стартового AUG связан со сканированием от 5′-конца и контекстом старта. У бактерий начало выбирается иначе, часто с помощью участка связывания рибосомы. Бактериальный инициатор обычно несёт формилметионин; в школьных задачах со стандартной таблицей условимся обозначать стартовый остаток как Met. Не любой AUG внутри иРНК начинает новую цепь: в уже заданной рамке он может просто кодировать внутренний метионин.
5. Элонгация — цикл из трёх действий. Сначала в A-участок поступает заряженная тРНК, чей антикодон подходит к очередному кодону. Затем пептидилтрансферазный центр большой субъединицы, основу которого составляет рРНК, переносит растущую цепь с P-тРНК на аминокислоту A-тРНК: возникает новая пептидная связь. После этого рибосома перемещается вдоль иРНК на один кодон, тРНК с удлинённой цепью переходит из A в P, а освободившаяся — из P в E и выходит. Цикл повторяется. В доставке тРНК и перемещении участвуют белковые факторы и расходуется ГТФ — гуанозинтрифосфат, другой энергетический нуклеотид; АТФ ранее использовалась при зарядке. иРНК читается 5′→3′, полипептид удлиняется от N-конца к C-концу.
6. Терминация не добавляет аминокислоту. Когда в A-участке появляется UAA, UAG или UGA стандартного кода, его распознаёт фактор освобождения — белок, а не обычная тРНК. Связь между готовой цепью и тРНК гидролизуется, полипептид освобождается; далее рибосомный комплекс разбирается и компоненты используются повторно. Цепь может сворачиваться и подвергаться модификациям, а иногда начальный метионин удаляется. Поэтому число аминокислот первичного продукта в учебной задаче не всегда равно числу остатков зрелого белка в организме.
7. Почему образуется много копий. После продвижения первой рибосомы начало иРНК становится доступным следующей. Несколько рибосом на одной иРНК образуют полисому у прокариот и эукариот. Каждая собирает отдельную цепь одного и того же заданного продукта, но находится на своём этапе. Полисома повышает выпуск копий за время жизни иРНК, не меняя таблицу кода. Для синтеза нужны подходящая иРНК, рибосомы, все необходимые заряженные тРНК, аминокислоты, ферменты и факторы, АТФ и ГТФ, а также допустимые клеточные условия; одной ДНК и запаса свободных аминокислот недостаточно.
8. Как читать полную таблицу. Для CUU найдите первую букву C в строке, вторую U в столбце и внутри клетки третью U: это лейцин. Для GAA результат — глутамат, для UGA — стоп. Сокращения: Фен — фенилаланин, Лей — лейцин, Сер — серин, Тир — тирозин, Цис — цистеин, Трп — триптофан, Про — пролин, Гис — гистидин, Глн — глутамин, Арг — аргинин, Иле — изолейцин, Мет — метионин, Тре — треонин, Асн — аспарагин, Лиз — лизин, Вал — валин, Ала — аланин, Асп — аспартат, Глу — глутамат, Гли — глицин. Важно не путать Глн и Глу, Асн и Асп. Международные Met, Leu, Glu, Pro, Val соответствуют Мет, Лей, Глу, Про, Вал.
9. Свойства кода относятся к заданной таблице и рамке. Триплетность означает три нуклеотида на кодон; однозначность — один смысл данного кодона в стандартной таблице; вырожденность — несколько кодонов для большинства аминокислот. CUU и CUC оба кодируют лейцин. При обычном чтении внутри одной рамки кодоны не перекрываются и читаются последовательно, без знаков-разделителей. Почти универсальный код — сильное общее сходство живых систем, но известны варианты, например в митохондриях. В школьных задачах этого урока используем стандартный код, стартовый AUG и обычную комплементарность антикодона, без нестандартных событий инициации и перекодирования.
10. Последовательность решения. Сначала установите, дана матричная или кодирующая цепь, и подпишите 5′ и 3′. Если матрица записана 3′→5′, стройте напротив РНК 5′→3′; если она записана 5′→3′, сначала разверните порядок букв для чтения матрицы. Затем задайте начало трансляции, разбейте иРНК на тройки, прочитайте аминокислоты до первого стоп-кодона в этой рамке и отдельно запишите антикодоны с направлениями. Стоп не включают в число аминокислот и не назначают ему антикодон обычной тРНК. Длинный фрагмент может содержать нетранслируемые участки; без указанного старта нельзя автоматически считать первую букву началом белка.
11. Замены и сдвиг рамки на конкретном примере. Исходная иРНК 5′-AUG CUU GAA UAA-3′ даёт Met–Leu–Glu и стоп. Замена CUU → CUC синонимична: лейцин сохраняется. Замена GAA → GUA даёт валин вместо глутамата. Замена GAA → UAA создаёт преждевременный стоп. Если после AUG вставить C, получится 5′-AUG CCU UGA AUA A-3′: новая рамка даёт Met–Pro и стоп на UGA, дальше чтение прекращается. Последняя отдельная A не образует кодона. Последствия вставки или делеции зависят от места; изменение на число букв, кратное трём, не сдвигает последующую рамку, но может изменить сам продукт.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Матричный синтез
Образование молекулы по последовательности другой молекулы с использованием правил соответствия компонентов и работы ферментов.
Пример: При транскрипции последовательность участка ДНК задаёт последовательность новой РНК.
- Ген
Участок наследственного материала с информацией для функционального продукта и связанный с его образованием контекст регуляции.
Пример: Один ген может давать белковый продукт, другой — функциональную РНК без превращения в белок.
- Матричная цепь ДНК
Одна из двух цепей участка ДНК, которую РНК-полимераза читает в направлении 3′→5′ при синтезе РНК.
Пример: Для матрицы 3′-TAC-5′ комплементарная РНК начинается с 5′-AUG-3′.
- РНК-полимераза
Ферментный комплекс, соединяющий рибонуклеотиды в РНК по матрице ДНК в направлении 5′→3′.
Пример: Комплекс начинает работу около регуляторного участка гена, но направление определяется ориентацией матричной цепи.
- Промотор
Регуляторная последовательность ДНК, на которой с участием необходимых белков формируется комплекс начала транскрипции. Её ориентация определяет, какую цепь и в каком направлении будет читать РНК-полимераза.
Пример: В модели бактериального оперона общий промотор расположен перед несколькими совместно транскрибируемыми генами; это участок ДНК, а не фермент.
- Транскрипция
Синтез РНК по матрице одной цепи ДНК с комплементарным подбором рибонуклеотидов.
Пример: При создании иРНК основанию A в матричной ДНК соответствует U в новой РНК.
- Асимметричность транскрипции
Использование только одной из двух цепей данного участка ДНК как матрицы для конкретного РНК-продукта.
Пример: Соседний ген может иметь другую ориентацию и считываться с противоположной цепи на своём участке.
- Кодон
Последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, которая в заданной рамке соответствует аминокислоте или сигналу завершения.
Пример: AUG обычно служит стартовым кодоном и кодирует метионин в стандартной таблице.
- Рамка считывания
Разбиение последовательности иРНК на последовательные неперекрывающиеся тройки от выбранной точки начала перевода.
Пример: Добавление одного нуклеотида перед несколькими кодонами может изменить все последующие тройки.
- Антикодон
Три нуклеотида тРНК, взаимодействующие с кодоном иРНК комплементарно и антипараллельно. В школьной модели используют обычные пары A–U и G–C; в живой клетке в одной позиции возможно менее строгое спаривание.
Пример: Кодону 5′-AUG-3′ соответствует антикодон 3′-UAC-5′. Если тот же антикодон требуется записать 5′→3′, получится 5′-CAU-3′, а не UAC.
- Транспортная РНК (тРНК)
Небольшая функциональная РНК-адаптер: её антикодон участвует в распознавании кодона, а к концу 3′-CCA присоединяется аминокислота. Эти участки выполняют разные функции и находятся в разных частях молекулы.
Пример: тРНК, узнающая CUU, после правильной зарядки несёт лейцин. Рибосома сопоставляет кодон с антикодоном, а не выбирает аминокислоту из свободного раствора.
- Аминоацил-тРНК-синтетаза (кодаза)
Фермент, распознающий определённую аминокислоту и подходящие тРНК и присоединяющий аминокислоту к 3′-концу тРНК с затратой АТФ. Точность этого этапа необходима для соответствия кодона и аминокислоты; многие синтетазы способны исправлять ошибки зарядки.
Пример: Лейцил-тРНК-синтетаза связывает лейцин с соответствующей тРНК. Общая запись: аминокислота + тРНК + АТФ → аминоацил-тРНК + АМФ + PPi; PPi — неорганический пирофосфат.
- Заряженная тРНК (аминоацил-тРНК)
тРНК с ковалентно присоединённой аминокислотой на её 3′-конце. Слово «заряженная» означает химическую подготовку к переносу аминокислоты, а не изменение электрического заряда всей молекулы.
Пример: После переноса аминокислоты или растущей цепи тРНК становится незаряженной, выходит из рибосомы и может быть использована снова после повторной зарядки.
- Трансляция
Синтез полипептида на рибосоме по последовательности кодонов иРНК с участием тРНК и дополнительных факторов.
Пример: Рибосома продвигается вдоль иРНК и соединяет аминокислоты в определённом порядке.
- Рибосома
Комплекс рРНК и белков, который организует считывание иРНК и катализирует образование пептидных связей.
Пример: Рибосома не считывает ДНК напрямую вместо иРНК в обычной клеточной трансляции.
- A-, P- и E-участки рибосомы
Функциональные места связывания тРНК: A принимает новую аминоацил-тРНК, P удерживает тРНК с растущей цепью, E участвует в выходе освободившейся тРНК. Их работа согласована с продвижением рибосомы вдоль иРНК.
Пример: Инициаторная тРНК сразу занимает P-участок. В обычном цикле элонгации новая тРНК входит в A, после переноса цепи и перемещения рибосомы переходит в P, а прежняя — из P в E.
- Инициация трансляции
Сборка комплекса из иРНК, малой и большой субъединиц рибосомы, инициаторной тРНК и белковых факторов с установлением начала и рамки считывания.
Пример: В упрощённой модели стартовый AUG узнаёт инициаторная тРНК с метионином, которая оказывается в P-участке; следующий кодон доступен в A-участке.
- Элонгация трансляции
Повторяющийся цикл удлинения полипептида: узнавание очередного кодона заряженной тРНК, образование пептидной связи и перемещение рибосомы на один кодон. иРНК читается 5′→3′, цепь растёт от N-конца (стороны аминогруппы первого остатка) к C-концу (стороне карбоксильной группы последнего добавленного остатка).
Пример: После стартового AUG кодон CUU приводит в A-участок тРНК с лейцином; метионин переносится с P-тРНК на лейцин, образуется цепь Met–Leu.
- Терминация трансляции
Завершение синтеза при попадании стоп-кодона в A-участок: его распознаёт белковый фактор освобождения, который способствует гидролизу связи между готовым полипептидом и тРНК.
Пример: На UAA не приходит «тРНК со стоп-аминокислотой». Полипептид освобождается; затем комплекс разбирается и его компоненты могут участвовать в новом цикле.
- Полирибосома (полисома)
Несколько рибосом, одновременно переводящих одну молекулу иРНК. Каждая движется по ней в направлении 5′→3′ и синтезирует собственную полипептидную цепь.
Пример: На одной иРНК могут одновременно находиться пять рибосом: ближе к началу их цепи обычно короче, ближе к концу — длиннее. Пять рибосом не складывают одну цепь из пяти частей.
- Вырожденность кода
Свойство генетического кода, при котором одной аминокислоте может соответствовать несколько различных кодонов.
Пример: Изменение третьей позиции кодона иногда не меняет аминокислоту, но не означает, что любое изменение безопасно.
- Стоп-кодон
Триплет иРНК, служащий сигналом завершения трансляции в данной таблице кода и рамке считывания. В стандартном коде это UAA, UAG и UGA.
Пример: В последовательности 5′-AUG GAA UGA-3′ кодируются метионин и глутамат; UGA не добавляет третью аминокислоту.
- Интрон
Участок первичного транскрипта, удаляемый при сплайсинге, и соответствующий ему участок ДНК. Интрон сначала переписывается в РНК; его удаление из РНК не вырезает этот участок из генома.
Пример: В модели «экзон 1 — интрон — экзон 2» все три участка входят в пре-иРНК, но после обычного сплайсинга остаются соединённые экзоны.
- Экзон
Участок транскрипта, сохраняющийся в данном зрелом РНК-продукте после сплайсинга, и соответствующий ему участок ДНК. Экзоны белок-кодирующего гена могут содержать и кодирующие, и нетранслируемые области.
Пример: 5′-нетранслируемая область зрелой иРНК может входить в экзон, хотя рибосома не переводит её в аминокислоты.
- Сплайсинг
Обработка РНК, при которой удаляются интроны и соединяются сохраняемые экзоны. При альтернативном сплайсинге одного первичного транскрипта возможны разные сочетания экзонов.
Пример: Условная пре-иРНК содержит экзоны A, B, C. Зрелые варианты A–B–C и A–C могут дать разные продукты; это не замена букв в самой ДНК.
Пример по шагам
Матричная цепь ДНК записана 3′-TAC GAA ATT-5′. Трансляция начинается с первого AUG. Найдите иРНК, аминокислоты первичной цепи и антикодоны тРНК в обоих направлениях.
- Сопоставьте основания и направления: 3′-TAC GAA ATT-5′ → 5′-AUG CUU UAA-3′.
- По полной таблице: AUG → метионин (Met), CUU → лейцин (Leu), UAA → стоп. В первичной цепи два остатка, а не три.
- Напротив 5′-AUG-3′ запишите антикодон 3′-UAC-5′; в направлении 5′→3′ это 5′-CAU-3′. Для 5′-CUU-3′: 3′-GAA-5′, или 5′-AAG-3′.
- На UAA действует фактор освобождения: антикодон обычной тРНК для этого стоп-кодона не назначаем.
Вывод: иРНК: 5′-AUG CUU UAA-3′; продукт: Met–Leu. Изменение направления записи антикодона меняет порядок букв, но не саму молекулу.
Практическая работа
Соберите и проверьте цикл трансляции на бумаге
- Возьмите модель иРНК 5′-AUG CUU GAA UAA-3′, карточки тРНК с антикодонами 3′-UAC-5′, 3′-GAA-5′, 3′-CUU-5′ и карточки Met, Leu, Glu. Кодаза соединяет правильные пары до входа тРНК в рибосому; добавьте отдельную карточку затрат АТФ.
- Разложите участки E, P, A. Поместите инициаторную тРНК с Met в P, лейциновую — в A; перенесите Met на Leu. Сдвиньте модель на один кодон: прежняя P-тРНК выходит через E, новая с Met–Leu занимает P. Повторите с Glu и отдельной карточкой затрат ГТФ.
- На UAA поставьте фактор освобождения и снимите готовую цепь. Для полисомы разместите ещё две модели рибосом на одной длинной иРНК, каждой выдайте отдельную растущую цепь.
- Проверьте себя: конечный продукт Met–Leu–Glu; стоп не входит в цепь. При CUU → CUC продукт тот же; при GAA → UAA продукт Met–Leu. После вставки C сразу за AUG новая последовательность AUG CCU UGA AUA A даёт Met–Pro и стоп, а не перевод всех последующих букв.
Что можно заключить: Модель отделяет зарядку от узнавания кодона, объясняет три стадии и показывает, почему изменение рамки не равно простой замене одной аминокислоты. Все кодоны и ответы для сравнения находятся в этом уроке.
Безопасность: Только бумажные или цифровые последовательности; не собирайте ДНК людей и не делайте выводов о здоровье одноклассников по модельным вариантам.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.
- ФРП СОО «Биология», углублённый уровень, 10–11 классы
- ФРП биологии, углублённый уровень: содержание темы 7; тематическое планирование 7.1–7.2, с. 61–62 (термины, этапы, задачи и схемы)
- NCBI Bookshelf — Alberts: от РНК к белку, кодазы и полисомы
- NCBI Bookshelf — Cooper: стадии трансляции и условия синтеза
- NCBI: стандартная таблица генетического кода № 1 (в исходной записи T вместо U)
- NCBI Bookshelf — обработка и созревание РНК