Генетический код и его свойства. Биосинтез белка. Реакции матричного синтеза.

Информация о структуре белка записана на молекуле ДНК с помощью генетического кода.

Генетический код - это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК или иРНК, несущая информацию о последовательности расположения аминокислот в молекуле белка. Участок молекулы ДНК и иРНК, состоящий из трех нуклеотидов, называется триплетом или кодоном. Кодон это последовательность из трех рядом расположенных нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту или заканчивающая синтез полипептидной цепи.

Генетическому коду характерны ряд общих свойств.

1. Триплетность - каждая из аминокислот закодирована тремя последовательно расположенными нуклеотидами.

2. Универсальность - генетический код одинаков у всех живых организмов.

3. Вырожденность (избыточность, множественность) - одна аминокислота может быть закодирована двумя или более кодонами (это объясняется существованием 4 нуклеотидов, которыми можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида - 4³ = 64, а аминокислот входящих в состав белка только 20). Одним триплетом шифруются только аминокислоты: метионин, который кодируется только триплетом АУГ, и триптофан - УГГ.

4. Специфичность (однозначность) - один кодон шифрует только одну аминокислоту.

5. Однонаправленность - информация считывается в одном направлении.

6. Непрерывность – при выпадении нуклеотида, его место займет нуклеотид из соседнего триплета. Это приведет к изменению порядка считывания (мутации).

7. Триплеты УАА, УАГ, УГА обозначают окончание синтеза полипептидной цепи (триплеты-терминаторы). Они находятся в конце каждого гена.

Биосинтез белков происходит в цитоплазме клеток на рибосомах. В ходе биосинтеза белка можно выделить этапы:

1) транскрипция; 2) процессинг; 3) трансляция.

Информация о структуре белка записана в молекуле ДНК, которая у эукариот находится в ядре и отделена ядерной оболочкой от цитоплазмы. ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Информацию о структуре белка в цитоплазму несет и-РНК, которая по принципу комплементарности строится на матрице ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. Переписывание информации с ДНК на иРНК назы­вается транскрипцией. Переписывается одна нить молекулы ДНК, которая называется кодогенной. Если в переписыва­емой нити ДНК стоит нуклеотид с азотистым основанием гуанин (Г), то фермент РНК-полимераза включает в РНК нуклеотид, содержащий цитозин (Ц); если тимин (Т) - то аденин (А); если аденин (А) - то урацил (У). По длине каждая из молекул иРНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК переписывает информацию только части молекулы ДНК - одного гена, несущего информацию о структуре белка.

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре белка, называется геном.

Ген у эукариот имеет мозаичное строение, в нем есть информационные участки – экзоны (кодирующие последовательности нуклеотидов, определяющие последовательность аминокислот в белке) и неинформационные участки – интроны (некодирующие последовательности между экзонами). Между генами расположены неинформационные участки, которые называются спейсеры.

При транскрипции на иРНК переписываются и экзоны и интроны, частично переписываются и спейсеры. Эта иРНК не может проникнуть через поры в ядерной оболочке, она незрелая (пре-иРНК), поэтому в ядре происходит ее процессинг — дозревание (вырезание неинформационных участков и сшивание информационных), в результате чего РНК укорачивается. Зрелая иРНК проходит через поры в ядерной оболочке и направляется к месту синтеза белка (к рибосоме).

Информация закодирована в виде триплетов. Один триплет (кодон) кодирует место одной аминокислоты в белковой молекуле, а последователь­ность триплетов кодирует последовательность аминокислот в белковой мо­лекуле. Перевод информации с последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка называется трансляцией. В иРНК существуют триплеты: инициирующий – АУГ (определяет начало синтеза белка) и терми­нирующие: УАГ, УАА, УГА.

Рис. Схема биосинтеза белка (трансляции).

В цитоплазме на иРНК нанизывается рибосома. Она подходит к тому месту иРНК, где расположен инициирующий кодон. Одновременно рибосома занимает

участок иРНК, равный 2 триплетам. На большую субъединицу рибосомы приходят тРНК. Они имеют два важных участка: к одному из них прикрепляется определенная аминокислота, а другой, называемый антикодоном, содержит триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК. Одновременно на большой субъединице могут находиться две тРНК, одна - в пептидильном, другая — в аминоацильном (аминокислотном) участке рибосомы. Во время синтеза белка тРНК приходят в аминоацильный участок, здесь происходит узнавание аминокис­лот путем сопоставления антикодона и кодона, а в пептидильном образуется пептидная связь между аминокислотами.

По принципу комплементарности кодоны иРНК вступают в связь с антикодонами тРНК. Например, если в иРНК будет располагаться кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ. После этого между аминокислотами, находящимися в двух центрах рибосомы, происходит образование пептидной связи. Затем тРНК, находящаяся в пептидиль­ном центре, покидает рибосому и «уходит» в цитоплазму за другой ами­нокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет. Образовавшийсй дипептид располагается в пептидильном центре, а в освободившийся аминоацильный центр рибосомы, приходит новая тРНК с аминокислотой. Так происходит считывание информации. Когда ри­босома окажется на терминирующем триплете, синтез белка заканчивается. В секунду соединяются друг с другом до 50 аминокислот. Поэтому синтез одной молекулы белка длится всего 3—5 с. Для протекания всех этапов синтеза необходима энергией, которая поставляется за счет расщепления АТФ.

В результате трансляции образуется первичная структура белка. Затем формируется вторичная, третичная, четвертичная и он начинает выполнять свои функции.

Реакциями матричного синтеза называются такие процессы в клетке, где одно химическое соединение служит матрицей для построения другого (удвоение молекулы ДНК, транскрипция, обратная транскрипция, трансляция).