Пластический обмен: биосинтез белка

Клетке постоянно нужны новые мембраны, ферменты, транспортные каналы и защитные структуры. Для постройки требуются аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

Важнейший химический процесс пластического обмена — биосинтез белка. Белки выполняют в организме подавляющее большинство функций: от иммунной до каталитической. Формирование белков лежит в основе реализации генетической информации. Молекулы ДНК хранят инструкцию, а клетка по ней собирает готовые полипептидные структуры.

Ген — структурно-функциональная единица генетического материала, участок ДНК, в котором закодирована последовательность аминокислот в белке.

• ДНК не выходит из ядра (митохондрий, хлоропластов), белок синтезируется только в цитоплазме, наследственная информация переписывается на иРНК (мРНК) (транскрипция).
• иРНК — посредник между ДНК и местом синтеза белка.
• Белок синтезируется рибосомами с матрицы иРНК (мРНК) (трансляция).

Для лучшего понимания процесса нужно знать, какие структуры и молекулы в нём задействованы:

• ДНК — носитель исходной матрицы, хранящий информацию о структуре всех белков;
• информационная РНК (иРНК) — временная копия фрагмента ДНК, переносящая инструкцию к месту сборки белка;
• транспортная РНК (тРНК) — молекула, которая доставляет конкретную аминокислоту к месту синтеза;
• рибосомы — органоиды, собирающие белок подобно конвейеру;
• аминокислоты — мономеры, из которых состоит полипептидная цепь;
• АТФ — универсальный источник энергии.

Процесс проходит в два основных этапа.

Транскрипция — создание молекулы иРНК по матрице одной из цепей ДНК. Фермент РНК-полимераза расплетает спираль ДНК и по принципу комплементарности выстраивает новую цепь РНК. После завершения копирования иРНК отсоединяется и направляется в цитоплазму. Транскрипция происходит в ядре клетки в три этапа.

1. Инициация
   Фермент РНК-полимераза узнаёт промотор (специальная стартовая последовательность нуклеотидов) и прикрепляется к нему.
   Спираль ДНК раскручивается.
2. Элонгация
   РНК-полимераза продвигается по транскрибируемой цепи ДНК, достраивая РНК по принципу комплементарности в направлении от 5′ к 3′.
3. Терминация
   РНК-полимераза узнаёт стоп-сигнал (терминатор) и отсоединяется от ДНК.
   Готовая РНК отсоединяется от ДНК.
   ДНК восстанавливает двойную спираль.

Трансляция протекает в цитоплазме клетки на рибосомах. Здесь происходит перевод нуклеотидной последовательности в аминокислотную. Рибосома садится на нить иРНК и считывает её по три нуклеотида (кодонами). Одновременно молекулы тРНК приносят аминокислоты. Каждая тРНК имеет специфический антикодон, который должен совпасть с кодоном иРНК. При совпадении аминокислота присоединяется к растущей белковой цепи. Рассмотрим этапы на примере синтеза белка в эукариотической клетке.

1. Инициация
   Малая и большая субъединицы рибосом присоединяются к иРНК.
   Узнавание старт-кодона 5′-АУГ-3′.
   тРНК с метионином попадает в пептидильный участок рибосомы.
2. Элонгация
   Транспептидация — перенос растущего пептида на новоприбывшую аминокислоту. Транслокация — шаг рибосомы на один триплет.
3. Терминация
   Узнавание стоп-кодона. Отсоединение готового белка от иРНК и рибосомы.

Чтобы уверенно решать задачи, нужно знать следующие принципы:

1. Принцип комплементарности. Напротив аденина (А) всегда встаёт тимин (Т) в молекуле ДНК или урацил (У) в молекуле РНК. Напротив гуанина (Г) располагается цитозин (Ц).
2. Антипараллельность цепей. Молекулы нуклеиновых кислот имеют чёткое направление: от 5′-конца к 3′-концу. Две цепи ДНК антипараллельны друг другу (одна идёт от 5′ к 3′, вторая от 3′ к 5′). Чтение матричной (транскрибируемой) цепи ферментами идёт строго от 3′ к 5′, а синтез любой новой нуклеиновой кислоты происходит от 5′ к 3′. В решениях задач ЕГЭ обязательно нужно указывать штрих-концы.
3. Свойства генетического кода. Код обладает триплетностью (одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами), вырожденностью (аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов) и универсальностью. Также существуют стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА), при попадании на которые рибосома останавливает сборку полипептида.

Задание 1

Установите последовательность процессов транскрипции. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

1. РНК-полимераза отсоединяется от ДНК
2. РНК-полимераза соединяется с промотором
3. выход РНК через ядерные поры
4. созревание иРНК
5. синтез РНК
6. водородные связи между цепями ДНК разрушаются

Решение
2 — РНК-полимераза соединяется с промотором (инициация).
6 — Водородные связи между цепями ДНК разрушаются, двойная спираль раскручивается.
5 — Синтез РНК (элонгация) по принципу комплементарности.
1 — РНК-полимераза отсоединяется от ДНК (терминация).
4 — Созревание иРНК (процессинг и сплайсинг).
3 — Выход РНК через ядерные поры в цитоплазму.

Ответ: 625143.

Задание 2

Сколько аминокислот кодирует 900 нуклеотидов? В ответ запишите только соответствующее число.

Решение
Генетический код триплетен — одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида.
Поскольку три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, то 900 нуклеотидов кодируют 300 аминокислот (900 : 3 = 300).

Ответ: 300.

Задача 1

Сколько нуклеотидов во фрагменте матричной цепи ДНК кодируют 55 аминокислот во фрагменте полипептида? В ответе запишите только соответствующее число.

Задача 2

Установите последовательность процессов при биосинтезе белка в клетке.

1. Образование пептидной связи между аминокислотами.
2. Взаимодействие кодона иРНК и антикодона тРНК.
3. Выход тРНК из рибосомы.
4. Соединение иРНК с рибосомой.
5. Выход иРНК из ядра в цитоплазму.
6. Синтез иРНК.

После изучения материала ты понимаешь механизмы пластического обмена клетки. Теперь ты умеешь применять правило антипараллельности, высчитывать количество нуклеотидов и аминокислот в цепи и находить верную последовательность. Именно эти навыки позволяют без ошибок справляться с вычислениями и обоснованиями.

Чтобы закрепить тему и потренироваться в решении заданий второй части, рассмотри задания линии 27 из нашего банка заданий — там собраны прототипы разного уровня сложности из реальных вариантов.