§4. Этапы трансляции
Цель изучения этой темы: описать трансляцию – второй этап процесса биосинтеза белка.
Как должны попасть к рибосомам аминокислоты, необходимые для синтеза белка? Все ли виды молекул РНК одинаковы по строению и выполняемым функциям?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 7, 9, 10 и 12 – учебник для 10 класса.
Этапы биосинтеза белка. Биосинтез белка включает в себя два этапа. Это трансляция, которую мы будем изучать в этом параграфе, и уже изученная нами транскрипция – процесс синтеза иРНК по матрице ДНК (рис. 4). Как и многие процессы, связанные с наследственностью, биосинтез белка – матричный процесс. В каждом биологическом матричном процессе матрицей является определенное вещество:
– при репликации матрицей являются исходные «старые», или «материнские», молекулы ДНК;
– при транскрипции матрицей является какой-либо участок молекулы ДНК, по которому идет синтез иРНК;
– при трансляции – процессе синтеза белка на рибосоме – матрицей являются молекулы иРНК (мРНК).
Рис. 4. Взаимосвязь процессов транскрипции и трансляции, происходящих в ядре (а) и цитоплазме (б) эукариот
Таким образом, благодаря матричному принципу удается почти полностью4 избегать возможных «ошибок», случайно возникающих изменений наследственного материала.
Трансляция – процесс биосинтеза белка на рибосоме (рис. 5). Начинается с того, что на иРНК, которая попала в цитоплазму или к шероховатой ЭПС, «нанизывается» рибосома.
Большая и малая субъединицы рибосом образуются в ядре. Они состоят из особого вида РНК, которую называют рибосомальной и обозначают как рРНК. В составе рибосом, как и в хромосомах, кроме нуклеиновой кислоты, содержатся также белки.
Субъединицы рибосомы покидают ядро порознь. Но они легко соединяются на информационной РНК. «План», как делать белок, – это и есть иРНК. Есть тот, «кто будет делать белок» (соединять аминокислоты) – это рибосома или рРНК. Остается только «подать» рибосоме «строительные блоки» – аминокислоты.
Нужно помнить, что в отличие от обычных «кирпичей» аминокислоты не одинаковые. Их существует 20 видов. Генетическая информация – это не что иное, как правильный порядок аминокислот в белке. Для переноса и встраивания аминокислот существуют специальные молекулы – транспортные РНК – тРНК. По форме тРНК напоминают лист клевера.
Рис. 5. Схема строения и работы рибосомы. Все виды РНК и рибосома, состоящая из рРНК, синтезируют белок
Специальный фермент катализирует присоединение аминокислот к тРНК. К определенной молекуле тРНК присоединяется только строго определенная аминокислота. У тРНК есть важнейшая структура, опознающая «свое» место в иРНК. Она называется антикодон и представляет собой три нуклеотида, которые расположены на «верхушке» листка клевера. Они комплементарны кодону – трем нуклеотидам иРНК. Кодон и антикодон соединяются водородными связями по принципу комплементарности. Так, если в кодоне будут основания ГУЦ, то антикодон будет содержать ЦАГ (с двойной водородной связью между средними нуклеотидами и тройными связями у обоих крайних). Попав к информационной молекуле и оказавшись внутри рибосомы, тРНК образует водородные связи в системе «кодон – антикодон». Причем функциональный центр рибосомы удерживает в себе только шесть нуклеотидов иРНК, чтобы рядом оказались две тРНК и две аминокислоты соответственно.
Теперь рибосома соединяет аминокислоты, катализируя реакцию полимеризации. Соединение происходит между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой, с выпадением молекулы воды. Между каждыми двумя аминокислотами образуется одна пептидная связь. После этого рибосома «делает шаг», т. е. перемещается еще на три нуклеотида по иРНК. Освободившаяся тРНК отсоединяется от иРНК и следует за новой аминокислотой. А к очередному кодону иРНК присоединяется антикодон тРНК, принесший следующую аминокислоту для встраивания в белок.
Так повторяется до тех пор, пока рибосома не дойдет до конца иРНК у эукариот или до окончания гена у прокариот (если их иРНК содержит несколько генов). К последней аминокислоте присоединяется молекула воды, и рибосома «отпускает» синтезированный пептид.
Неважно, в клетках какого типа происходит процесс биосинтеза белка – трансляция. Это синтез полипептидной цепи на рибосоме, т. е. соединение различных аминокислот в том порядке, который записан в ДНК и скопирован в виде иРНК.
Трансляция, кодон, антикодон, функциональный центр рибосомы, тРНК, рРНК.
Знание и понимание
1. Объясните, почему в системе «кодон – антикодон» возникновение ошибок минимально.
2. Чем различаются функции тРНК и рРНК?
Применение
1. Как и почему в функциональный центр рибосомы входит именно 6 нуклеотидов, а не 5 или 7?
2. Определите связь между первым этапом биосинтеза – транскрипцией и вторым – трансляцией. Как они взаимосвязаны?
Анализ
Изобразите в виде схемы весь процесс биосинтеза белка, указав всех участников. Расположите их под номерами: 1) иРНК; 2) тРНК; 3) малая субъединица рибосомы; 4) большая субъединица рибосомы; 5) стоп-кодон; 6) аминокислота № 1 и аминокислота № 2; 7) кодон; 8) антикодон; 9) растущий пептид; 10) молекулы воды.
Синтез:
1. Систематизируйте сходство и различия в процессе трансляции бактерий и эукариот.
2. Порассуждайте, мог ли протекать процесс трансляции в пробирке, если бы там присутствовали все необходимые компоненты.
Оценка
1. Известно, что некоторые антибактериальные лекарственные препараты препятствуют работе прокариотических рибосом, но не действуют на рибосомы эукариот.
2. Оцените и обсудите плюсы и минусы возможности регуляции процесса биосинтеза белка на уровне трансляции.
4 Ошибки репликации – это мутации, точнее, одна их группа. Чаще всего мутации вредны и даже смертельно опасны для организма. Крайне редко (не чаще 1 мутации на 1000) они могут приводить к появлению положительных изменений (см. § 25).