Трансляция: биосинтез белка

Понятие трансляции и роль генетического кода

Трансляция — это ключевой этап реализации генетической информации, в ходе которого нуклеотидная последовательность информационной РНК (иРНК) переводится в аминокислотную последовательность белка. Если репликация сохраняет информацию, а транскрипция переписывает её на мобильный носитель, то трансляция — это процесс декодирования, превращающий химический текст нуклеиновых кислот в функциональные молекулы белков.

Центральная догма молекулярной биологии

Понимание трансляции невозможно без контекста «Центральной догмы», сформулированной Фрэнсисом Криком. Она описывает поток информации в живых системах.

Схематично поток информации выглядит так:

где — дезоксирибонуклеиновая кислота (хранилище информации), — рибонуклеиновая кислота (переносчик информации), а — конечный продукт, выполняющий функции в клетке.

> Протекающие в клетках транскрипция и трансляция согласуются с так называемой догмой молекулярной биологии: поток информации в клетках идет в направлении от нуклеиновых кислот к белкам. > > biology.su

Трансляция является финальным этапом этого направленного потока. Ошибки на этом этапе приводят к созданию дефектных белков, что может нарушить жизнедеятельность клетки.

Генетический код: словарь жизни

Главная проблема биосинтеза белка — это перевод с одного «языка» на другой. Язык нуклеиновых кислот состоит из 4 букв (нуклеотидов), а язык белков — из 20 букв (аминокислот). Система правил, по которым последовательность нуклеотидов преобразуется в последовательность аминокислот, называется генетическим кодом.

Принцип триплетности

Почему код именно триплетный? Это объясняется комбинаторикой. Если бы один нуклеотид кодировал одну аминокислоту, можно было бы закодировать только 4 аминокислоты (). Если бы код был дуплетным (пары нуклеотидов), число комбинаций составило бы:

где — число возможных комбинаций, — количество типов нуклеотидов (А, У, Г, Ц), — длина кодового слова.

Числа 16 недостаточно для кодирования 20 стандартных аминокислот. Поэтому природа использует триплетный код:

где — число возможных комбинаций (кодонов), — количество типов нуклеотидов, — количество нуклеотидов в одном кодоне.

Таким образом, 64 возможных кодона с избытком покрывают потребность в кодировании 20 аминокислот.

Единицей генетического кода является кодон (или триплет) — последовательность из трех нуклеотидов в иРНК, которая соответствует одной аминокислоте или сигналу остановки синтеза.

Свойства генетического кода

Генетический код обладает рядом фундаментальных характеристик, обеспечивающих точность и надежность синтеза белка. Знание этих свойств необходимо для понимания механизмов мутаций и биоинженерии.

> Свойства генетического кода: триплетность, вырожденность, однозначность, неперекрываемость, универсальность, непрерывность, полярность. > > science.mail.ru

1. Триплетность

Как было доказано выше, значащей единицей является тройка нуклеотидов. При удалении или вставке одного или двух нуклеотидов происходит сдвиг рамки считывания, что полностью меняет смысл всей последующей генетической записи.

2. Непрерывность

Код считывается сплошным потоком, триплет за триплетом. Между кодонами нет «знаков препинания» или разделительных нуклеотидов. Это означает, что если иРНК имеет последовательность АУГЦЦЦГГГ, она будет прочитана строго как АУГ, ЦЦЦ, ГГГ.

3. Неперекрываемость

Один и тот же нуклеотид может входить в состав только одного триплета. Кодоны не накладываются друг на друга.

Пример: Последовательность: А У Г Ц А Ц * Правильное чтение (неперекрываемый код): АУГ (1-й кодон), ЦАЦ (2-й кодон). * Неправильное чтение (перекрываемый код): АУГ, УГЦ, ГЦА и т.д.

4. Однозначность (Специфичность)

Каждый кодон кодирует только одну конкретную аминокислоту. Например, кодон УУУ всегда кодирует фенилаланин и никогда — лейцин или другую аминокислоту. Это свойство гарантирует, что по одной и той же матрице иРНК всегда будет синтезироваться один и тот же белок.

5. Вырожденность (Избыточность)

Поскольку существует 64 кодона для 20 аминокислот, большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом. Исключение составляют только метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

Это свойство имеет важное биологическое значение: оно повышает устойчивость генетической информации к мутациям. Часто замена третьего нуклеотида в кодоне не приводит к замене аминокислоты (так называемые синонимичные замены).

Пример для аминокислоты Аланин (Ala): * ГЦУ * ГЦЦ * ГЦА * ГЦГ

Любой из этих четырех кодонов приведет к включению аланина в белок.

6. Универсальность

Генетический код един для всех живых организмов на Земле — от бактерий до человека. Кодон ААА кодирует лизин и в клетке кишечной палочки, и в нейроне слона. Это свидетельствует о единстве происхождения всего живого.

Примечание: Существуют незначительные отклонения от универсальности, например, в митохондриальном геноме, но они являются редкими исключениями.

> Генетический код — универсальный язык жизни, одинаково применимый и к бактерии, и к человеку. > > science.mail.ru

Функциональные типы кодонов

Все 64 кодона можно разделить на смысловые и служебные (стоп-кодоны).

| Тип кодона | Количество | Функция | | :--- | :--- | :--- | | Смысловые | 61 | Кодируют включение определенных аминокислот в белковую цепь. | | Старт-кодон | 1 (из смысловых) | Кодон АУГ (метионин). С него начинается синтез любого белка у эукариот. Он задает рамку считывания. | | Стоп-кодоны | 3 | УАА, УАГ, УГА. Не кодируют аминокислоты. Сигнализируют об окончании синтеза белка и отсоединении рибосомы. |

Механизм декодирования: роль тРНК

Сама по себе аминокислота не может «узнать» свой кодон на иРНК. Для этого нужен посредник — транспортная РНК (тРНК). Молекула тРНК имеет структуру, напоминающую клеверный лист, на вершине которого находится антикодон.

Антикодон — это триплет нуклеотидов в тРНК, комплементарный кодону иРНК. Взаимодействие происходит по принципу комплементарности:

* Аденин (А) связывается с Урацилом (У) * Гуанин (Г) связывается с Цитозином (Ц)

Например, если в иРНК стоит кодон 5'-АУГ-3' (метионин), то с ним свяжется тРНК, имеющая антикодон 3'-УАЦ-5'.

> Трансляция представляет собой синтез полипептидной (белковой) цепи на молекуле информационной (она же матричная) РНК. По-другому трансляцию можно описать как перевод информации, закодированной с помощью нуклеотидов (триплетов-кодонов), в информацию, представленную в виде последовательности аминокислот. > > biology.su

Итоги

* Трансляция — это процесс синтеза белка на рибосомах с использованием иРНК в качестве матрицы. Это перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот. * Генетический код триплетен: три нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. Всего существует 64 кодона. * Свойства кода включают однозначность (1 кодон = 1 аминокислота), вырожденность (1 аминокислота = несколько кодонов) и универсальность для всех живых организмов. * Старт-кодон (АУГ) начинает синтез и задает рамку считывания, а стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА) прекращают процесс трансляции.

Главные участники: строение рибосом и функции тРНК

В предыдущей статье мы разобрали генетический код — «словарь», по которому клетка переводит информацию. Однако сам по себе словарь не может создать белок. Для этого необходим сложный молекулярный механизм, который физически соединит аминокислоты в правильном порядке.

В этом процессе участвуют два главных «инженера»: транспортная РНК (тРНК), которая доставляет строительный материал, и рибосома — молекулярная машина, осуществляющая сборку.

Транспортная РНК (тРНК): адаптер и курьер

Главная проблема трансляции заключается в том, что аминокислоты не могут самостоятельно «прочитать» кодоны иРНК. Между ними нет химического сродства. Эту проблему решил бы «адаптер» — молекула, которая одной стороной крепится к аминокислоте, а другой — узнает кодон.

Такой молекулой является тРНК. Это небольшая цепочка рибонуклеиновой кислоты (70–90 нуклеотидов), которая сворачивается в сложную структуру.

Строение тРНК: клеверный лист

Если расправить молекулу тРНК на плоскости, она напоминает клеверный лист. В этой структуре выделяют ключевые функциональные части:

Акцепторный стебель (3'-конец)

Это «хвост» молекулы, который всегда заканчивается последовательностью нуклеотидов ЦЦА (цитозин-цитозин-аденин). Именно сюда присоединяется конкретная аминокислота. Это место «загрузки».

Антикодоновая петля

Находится на противоположном конце от акцепторного стебля. В центре этой петли расположен антикодон — три нуклеотида, которые комплементарны кодону в иРНК.

> тРНК (Транспортная РНК) — небольшая молекула рибонуклеиновой кислоты, которая играет ключевую роль в процессе трансляции (синтеза белка). Её основная функция — доставка аминокислот к рибосомам. > > geneticslab.ru

В реальном трехмерном пространстве тРНК сворачивается еще плотнее, образуя Г-образную форму (L-форму). Это позволяет ей идеально входить в пазы рибосомы.

Принцип работы адаптера

Механизм узнавания работает строго по принципу комплементарности. Если в иРНК записан кодон 5'-ГЦЦ-3' (кодирует аланин), то с ним свяжется только та тРНК, у которой антикодон 3'-ЦГГ-5'.

Важно понимать: сама тРНК не выбирает аминокислоту. За правильную «загрузку» отвечает специальный фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот существует свой личный фермент, который безошибочно находит нужную тРНК и прикрепляет к ней нужную аминокислоту. Ошибка на этом этапе критична, так как рибосома не проверяет, правильно ли загружена тРНК, она проверяет только соответствие антикодона кодону.

Рибосома: фабрика по сборке белков

Рибосома — это немембранный органоид, который служит местом встречи иРНК и тРНК. Это гигантский рибонуклеопротеидный комплекс, состоящий из рибосомной РНК (рРНК) и белков.

> Рибосома эукариот состоит из двух субъединиц — большой (ее принято обозначать 60S) и малой (40S). Субъединицы построены из рибосомной РНК (рРНК) и рибосомных белков (РБ). > > biomolecula.ru

Две субъединицы

Рибосома всегда состоит из двух неравных частей, которые объединяются только для синтеза белка:

Малая субъединица

Отвечает за декодирование. Именно она связывается с иРНК и проверяет, правильно ли антикодон тРНК совпал с кодоном иРНК.

Большая субъединица

Отвечает за катализ. Здесь происходит образование пептидной связи между аминокислотами. Интересно, что главным катализатором является не белок, а рРНК. Поэтому рибосому называют рибозимом (ферментом на основе РНК).

Коэффициент седиментации (S)

Размер рибосом и их частей измеряют в единицах Сведберга (). Эта величина показывает скорость осаждения частиц при центрифугировании. Она зависит не только от массы, но и от формы молекулы, поэтому величины нельзя просто складывать.

Для прокариот (бактерий) и эукариот (животных, растений) рибосомы различаются:

где — полная рибосома бактерий, — её малая субъединица, — её большая субъединица.

где — полная рибосома эукариот, — её малая субъединица, — её большая субъединица.

Как видно из формул, . Это связано с тем, что при объединении субъединиц форма комплекса становится более компактной, и он оседает медленнее, чем простая сумма его частей.

Функциональные центры рибосомы

Внутри собранной рибосомы есть три «парковочных места» для тРНК. Они называются сайтами (от англ. site — место). тРНК последовательно проходит через них в ходе синтеза.

1. А-сайт (Аминоацильный)

Это «входная дверь». Сюда приходит новая тРНК, несущая очередную аминокислоту. Здесь происходит проверка: подходит ли антикодон тРНК к текущему кодону иРНК. Если комплементарность соблюдена, тРНК остается.

2. Р-сайт (Пептидильный)

Это «сборочный цех». Здесь находится тРНК, которая держит на себе растущую цепочку белка (пептид). В этом сайте происходит химическая реакция: растущая цепь отрывается от тРНК в Р-сайте и пересаживается на аминокислоту новой тРНК в А-сайте, удлиняясь на одно звено.

3. Е-сайт (Exit — выход)

Это «дверь на выход». Сюда попадает «пустая» тРНК, которая уже отдала свою аминокислоту. Из этого сайта она покидает рибосому, чтобы снова зарядиться ферментом в цитоплазме.

> тРНК перемещаются между A-, P- и E-сайтами рибосомы, обеспечивая рост полипептидной цепи. > > geneticslab.ru

Взаимодействие участников

Процесс трансляции — это слаженная работа всех описанных компонентов. иРНК служит чертежом, проходящим сквозь малую субъединицу. Рибосома шаг за шагом (по три нуклеотида) продвигает ленту иРНК. тРНК подлетают в А-сайт, и если их «ключ» (антикодон) подходит к «замку» (кодону), большая субъединица приваривает принесенную аминокислоту к растущей цепи.

Итоги

* тРНК — это посредник, имеющий форму клеверного листа. На одном конце (акцепторном) она несет аминокислоту, на другом (в петле) имеет антикодон для узнавания кода. * Рибосома состоит из малой и большой субъединиц. Малая отвечает за чтение информации, большая — за образование химических связей между аминокислотами. * Рибосома имеет три функциональных центра: А-сайт (вход для новых аминокислот), Р-сайт (удержание растущей цепи) и Е-сайт (выход пустых тРНК). * Рибосомы эукариот (80S) крупнее и сложнее, чем рибосомы бактерий (70S), но принцип их работы идентичен.