3.4: Синтез білка

Цілі навчання

• Поясніть, як генетичний код, що зберігається в ДНК, визначає білок, який буде утворюватися
• Опишіть процес транскрипції
• Опишіть процес перекладу
• Обговоріть функцію рибосом

Раніше згадувалося, що ДНК забезпечує «план» клітинної структури та фізіології. Мається на увазі той факт, що ДНК містить інформацію, необхідну клітині для побудови одного дуже важливого типу молекули: білка. Більшість структурних компонентів клітини складаються, принаймні частково, білками і практично всі функції, які виконує клітина, завершуються за допомогою білків. Одним з найважливіших класів білків є ферменти, які допомагають прискорити необхідні біохімічні реакції, що протікають всередині клітини. Деякі з цих критичних біохімічних реакцій включають створення більших молекул з менших компонентів (наприклад, відбувається під час реплікації ДНК або синтезу мікротрубочок) і розщеплення більших молекул на менші компоненти (наприклад, при збиранні хімічної енергії з молекул поживних речовин). Яким би не був клітинний процес, він майже впевнений, що задіяні білки. Подібно до того, як геном клітини описує його повне доповнення ДНК, протеом клітини є її повним доповненням білків. Синтез білка починається з генів. Ген - це функціональний сегмент ДНК, який надає генетичну інформацію, необхідну для побудови білка. Кожен конкретний ген забезпечує код, необхідний для побудови конкретного білка. Експресія генів, яка перетворює інформацію, закодовану в гені, в кінцевий генний продукт, в кінцевому підсумку диктує структуру та функцію клітини, визначаючи, які білки зроблені.

Інтерпретація генів працює наступним чином. Нагадаємо, що білки - це полімери, або ланцюги, багатьох амінокислотних будівельних блоків. Послідовність основ в гені (тобто його послідовність нуклеотидів A, T, C, G) перекладається в амінокислотну послідовність. Триплет - це розділ з трьох основ ДНК поспіль, який кодує конкретну амінокислоту. Аналогічно тому, як трилітерний код d-o-g сигналізує про образ собаки, трилітерний базовий код ДНК сигналізує про використання тієї чи іншої амінокислоти. Наприклад, триплет ДНК САС (цитозин, аденін та цитозин) визначає амінокислоту валін. Тому ген, який складається з декількох трійок в унікальній послідовності, забезпечує код для побудови цілого білка, з декількома амінокислотами в належній послідовності (рис.\(\PageIndex{1}\)). Механізм, за допомогою якого клітини перетворюють код ДНК в білковий продукт, є двоетапним процесом, з молекулою РНК в якості проміжного.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Генетичний код.ДНК містить всю генетичну інформацію, необхідну для побудови білків клітини. Нуклеотидна послідовність гена в кінцевому підсумку перетворюється на амінокислотну послідовність відповідного білка гена.

Від ДНК до РНК: транскрипція

ДНК розміщується в ядрі, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, тому повинен бути якийсь проміжний месенджер, який залишає ядро і керує синтезом білка. Цей проміжний месенджер - це месенджерна РНК (мРНК), одноланцюгова нуклеїнова кислота, яка несе копію генетичного коду для одного гена з ядра і в цитоплазму, де вона використовується для виробництва білків.

Існує кілька різних типів РНК, кожен з яких має різні функції в клітині. Структура РНК схожа на ДНК за кількома невеликими винятками. З одного боку, на відміну від ДНК, більшість типів РНК, включаючи мРНК, є однонитковими і не містять комплементарної нитки. По-друге, цукор рибози в РНК містить додатковий атом кисню в порівнянні з ДНК. Нарешті, замість базового тиміну в РНК міститься базовий урацил. Це означає, що аденин завжди буде поєднуватися з урацилом під час процесу синтезу білка.

Експресія генів починається з процесу, який називається транскрипцією, який є синтезом нитка мРНК, що доповнює цікавить ген. Цей процес називається транскрипцією, оскільки мРНК схожа на стенограму або копію ДНК гену. Транскрипція починається таким чином, як реплікація ДНК, оскільки область ДНК розкручується, і дві нитки відокремлюються, однак лише ця невелика частина ДНК буде розділена. Триплети всередині гена на цій ділянці молекули ДНК використовуються як шаблон для транскрибування комплементарної нитки РНК (рис.\(\PageIndex{2}\)). Кодон - це трибазова послідовність мРНК, так звана тому, що вони безпосередньо кодують амінокислоти. Як і реплікація ДНК, існує три етапи транскрипції: ініціація, подовження та припинення.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Транскрипція: від ДНК до мРНК. На першому з двох етапів виготовлення білка з ДНК ген на молекулі ДНК транскрибується в комплементарну молекулу мРНК.

Етап 1: Ініціація. Область на початку гена, яка називається промотором - певна послідовність нуклеотидів - запускає початок транскрипції.

Етап 2: Подовження. Транскрипція починається, коли РНК-полімераза розмотує сегмент ДНК. Одна пасмо, яка називається кодує ниткою, стає шаблоном з генами, які потрібно закодувати. Потім полімераза вирівнює правильну нуклеїнову кислоту (A, C, G або U) з її комплементарною основою на кодуючому ланцюжку ДНК. РНК-полімераза - це фермент, який додає нові нуклеотиди до зростаючої нитки РНК. Цей процес будує пасмо мРНК.

Етап 3: Припинення. Коли полімераза дійшла до кінця гена, одна з трьох специфічних триплетів (UAA, UAG або UGA) кодує сигнал «стоп», який запускає ферменти для припинення транскрипції та звільнення стенограми мРНК.

Перш ніж молекула мРНК покине ядро і перейде до синтезу білка, вона модифікується рядом способів. З цієї причини його часто називають пре-МРНК на цій стадії. Наприклад, ваша ДНК і, отже, комплементарна мРНК, містить довгі області, які називаються некодуючими регіонами, які не кодують для амінокислот. Їх функція все ще залишається загадкою, але процес, який називається сплайсингом, видаляє ці некодуючі області з перед-МРНК стенограми (рис.\(\PageIndex{3}\)). Сплацеосома - структура, що складається з різних білків та інших молекул - прикріплюється до мРНК і «зрощується» або вирізає області, що не кодуються. Видалений відрізок стенограми називається інтроном. Решта екзони склеюються між собою. Екзон - це сегмент РНК, який залишається після зрощування. Цікаво, що деякі інтрони, які видаляються з мРНК, не завжди є некодуючими. Коли різні області кодування мРНК зрощуються, різні варіації білка в кінцевому підсумку призводять до відмінностей у структурі та функції. Цей процес призводить до набагато більшої різноманітності можливих білків і білкових функцій. Коли стенограма мРНК готова, вона виходить з ядра і в цитоплазму.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зрощування ДНК. У ядрі структура, яка називається сплацеосомою, вирізає інтрони (некодуючі області) в межах транскрипту до мРНК і знову з'єднує екзони.

Від РНК до білка: переклад

Як і переклад книги з однієї мови на іншу, кодони на нитку мРНК повинні бути переведені на амінокислотний алфавіт білків. Переклад - це процес синтезу ланцюжка амінокислот під назвою поліпептид. Переклад вимагає двох основних засобів: по-перше, «перекладач», молекула, яка буде проводити переклад, і по-друге, підкладка, на якій нитка мРНК перекладається на новий білок, як «стіл» перекладача. Обидва ці вимоги виконуються іншими типами РНК. Субстратом, на якому відбувається переклад, є рибосома.

Пам'ятайте, що багато рибосоми клітини виявляються пов'язаними з грубим ЕР, і здійснюють синтез білків, призначених для апарату Гольджі. Рибосомна РНК (рРНК) - це тип РНК, який разом з білками становить структуру рибосоми. Рибосоми існують в цитоплазмі як два різних компонента, мала і велика субодиниця. Коли молекула мРНК готова до перекладу, дві субодиниці об'єднуються і приєднуються до мРНК. Рибосома забезпечує субстрат для перекладу, об'єднуючи і вирівнюючи молекулу мРНК з молекулярними «перекладачами», які повинні розшифрувати її код.

Інша головна вимога для синтезу білка - молекули перекладача, які фізично «зчитують» кодони мРНК. Трансферна РНК (тРНК) - це тип РНК, який переводить відповідні відповідні амінокислоти до рибосоми і приєднує кожну нову амінокислоту до останньої, будуючи поліпептидний ланцюг один за іншим. Таким чином тРНК переносить специфічні амінокислоти з цитоплазми до зростаючого поліпептиду. Молекули тРНК повинні вміти розпізнавати кодони на мРНК і поєднувати їх з правильною амінокислотою. ТРНК модифіковано для цієї функції. На одному кінці його структури знаходиться місце зв'язування певної амінокислоти. На іншому кінці знаходиться базова послідовність, яка відповідає кодону, вказуючи його конкретну амінокислоту. Ця послідовність з трьох основ на молекулі тРНК називається антикодоном. Наприклад, тРНК, відповідальний за трансфер амінокислоти гліцин, містить місце зв'язування гліцину на одному кінці. На іншому кінці він містить антикодон, який доповнює гліциновий кодон (GGA є кодоном для гліцину, і тому антикодон тРНК буде читати CCU). Оснащена своїм конкретним вантажем і відповідним антикодоном, молекула тРНК може зчитувати свій розпізнаний кодон мРНК і принести відповідну амінокислоту до зростаючого ланцюга (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Переклад з РНК на білок. Під час перекладу стенограма мРНК «зчитується» функціональним комплексом, що складається з молекул рибосоми і тРНК. ТРНК послідовно приносять відповідні амінокислоти до зростаючого поліпептидного ланцюга шляхом зіставлення їх антикодонів з кодонами на нитку мРНК.

Подібно до процесів реплікації та транскрипції ДНК, переклад складається з трьох основних етапів: ініціація, подовження та припинення. Ініціація відбувається з зв'язуванням рибосоми з розшифровкою мРНК. Стадія подовження передбачає розпізнавання антикодону тРНК з наступним кодоном мРНК в послідовності. Після того, як послідовності антикодонів та кодонів пов'язані (пам'ятайте, вони є комплементарними парами основи), тРНК представляє свій амінокислотний вантаж, а зростаюча поліпептидна нитка приєднується до цієї наступної амінокислоти. Це приєднання відбувається за допомогою різних ферментів і вимагає енергії. Потім молекула тРНК вивільняє нитку мРНК, нитка мРНК зміщує один кодон над рибосомою, а наступна відповідна тРНК надходить з відповідним антикодоном. Цей процес триває до досягнення кінцевого кодону на мРНК, який забезпечує повідомлення «стоп», яке сигналізує про припинення трансляції і запускає вивільнення повного, знову синтезованого білка. Таким чином, ген всередині молекули ДНК транскрибується в мРНК, яка потім перекладається в білковий продукт (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Від ДНК до білка: транскрипція через переклад. Транскрипція всередині клітинного ядра виробляє молекулу мРНК, яка модифікується, а потім направляється в цитоплазму для трансляції. Розшифровка розшифрована в білок за допомогою молекул рибосоми і тРНК.

Зазвичай транскрипція мРНК буде переведена одночасно декількома сусідніми рибосомами. Це підвищує ефективність синтезу білка. Одна рибосома може перевести молекулу мРНК приблизно за одну хвилину; тому кілька рибосом на борту однієї стенограми можуть виробляти в кілька разів більше одного і того ж білка за ту ж хвилину. Полірибосома - це низка рибосом, що перекладають одну мРНК нитку.

Перегляньте це відео, щоб дізнатися про рибосоми. Рибосома зв'язується з молекулою мРНК, щоб почати трансляцію свого коду в білок. Що відбувається з малими і великими рибосомальними субодиницями в кінці перекладу?

Огляд глави

ДНК зберігає інформацію, необхідну для доручення клітці виконувати всі її функції. Клітини використовують генетичний код, що зберігається в ДНК, для побудови білків, які в кінцевому підсумку визначають структуру та функцію клітини. Цей генетичний код лежить в певній послідовності нуклеотидів, що складають кожен ген вздовж молекули ДНК. Щоб «прочитати» цей код, осередок повинен виконати два послідовних кроки. На першому кроці транскрипції код ДНК перетворюється в код РНК. Молекула месенджерної РНК, яка доповнює певний ген, синтезується в процесі, подібному до реплікації ДНК. Молекула мРНК забезпечує код для синтезу білка. У процесі трансляції мРНК приєднується до рибосоми. Далі молекули тРНК переносять відповідні амінокислоти до рибосоми, по черзі, кодованої послідовними триплетними кодонами на мРНК, поки білок не буде повністю синтезований. Після завершення мРНК відділяється від рибосоми, і білок вивільняється. Як правило, кілька рибосом приєднуються до однієї молекули мРНК одночасно таким чином, що з мРНК можна одночасно виробляти кілька білків.

Інтерактивні запитання щодо посилань

Перегляньте це відео, щоб дізнатися про рибосоми. Рибосома зв'язується з молекулою мРНК, щоб почати трансляцію свого коду в білок. Що відбувається з малими і великими рибосомальними субодиницями в кінці перекладу?

Відповідь: Вони відокремлюються і рухаються і можуть вільно приєднуватися до трансляції інших сегментів мРНК.

Переглянути питання

Питання: Що з перерахованого нижче не є різницею між ДНК і РНК?

А. ДНК містить тимін, тоді як РНК містить урацил

Б. ДНК містить дезоксирибозу, а РНК містить рибозу

C. ДНК містить чергуються молекули цукру-фосфату, тоді як РНК не містить цукрів

D. РНК однониткова, а ДНК - дволанцюгова

Відповідь: C

Питання: Транскрипція і переклад відбуваються в ________ і ________ відповідно.

А. ядро; цитоплазма

B. ядерце; ядро

C. ядерце; цитоплазма

D. цитоплазма; ядро

Відповідь: A

Питання: Скільки «букв» молекули РНК, послідовно, потрібно, щоб надати код для однієї амінокислоти?

А. 1

Б. 2

С. 3

Д. 4

Відповідь: C

Питання: Що з перерахованого не складається з РНК?

А. носії, які перемішують амінокислоти до зростаючої поліпептидної нитки

Б. рибосома

C. молекула месенджера, яка забезпечує код для синтезу білка

D. інтрон

Відповідь: B

Питання критичного мислення

Питання: Коротко пояснити подібність між транскрипцією та реплікацією ДНК.

А. транскрипція і реплікація ДНК включають синтез нуклеїнових кислот. Ці процеси мають багато спільних ознак, зокрема, подібні процеси ініціації, подовження та припинення. В обох випадках молекула ДНК повинна бути розкручена і відокремлена, а кодуюча (тобто сенсова) нитка буде використовуватися як шаблон. Також полімерази служать для додавання нуклеотидів в зростаючу нитку ДНК або мРНК. Обидва процеси подаються сигнали про припинення після завершення.

Питання: Контрастна транскрипція і переклад. Назвіть хоча б три відмінності між двома процесами.

А. транскрипція - це дійсно процес «копіювання», а переклад - це дійсно процес «інтерпретації», оскільки транскрипція включає копіювання повідомлення ДНК в дуже схоже повідомлення РНК, тоді як переклад передбачає перетворення повідомлення РНК в дуже інше повідомлення амінокислоти. Два процеси також відрізняються за своїм розташуванням: транскрипція відбувається в ядрі і трансляція в цитоплазмі. Механізми, за допомогою яких виконуються два процеси, також абсолютно різні: транскрипція використовує ферменти полімерази для побудови мРНК, тоді як переклад використовує різні види РНК для побудови білка.

Глосарій

антикодон

послідовна послідовність трьох нуклеотидів на молекулі тРНК, яка доповнює специфічний кодон на молекулі мРНК

кодон

послідовна послідовність трьох нуклеотидів на молекулі мРНК, яка відповідає певній амінокислоті

екзон

одна з кодуючих областей молекули мРНК, які залишаються після зрощування

гена

функціональна довжина ДНК, що забезпечує генетичну інформацію, необхідну для побудови білка

експресія генів

активна інтерпретація інформації, закодованої в гені для отримання функціонального генного продукту

інтрон

області, які не кодують перед-МРНК стенограми, які можуть бути видалені під час сплайсингу

РНК месенджера (мРНК)

молекула нуклеотиду, яка служить проміжним продуктом в генетичному коді між ДНК і білком

поліпептид

ланцюг амінокислот, пов'язаних пептидними зв'язками

полірибосома

синхронний переклад однієї розшифровки мРНК декількома рибосомами

промоутер

область ДНК, яка сигналізує про транскрипцію, щоб почати з цього місця в гені

протеом

повний комплемент білків, що виробляються клітиною (визначається специфічною експресією гена клітини)

рибосомальна РНК (рРНК)

РНК, що становить субодиниці рибосоми

РНК-полімераза

фермент, який розмотує ДНК, а потім додає нові нуклеотиди до зростаючої нитки РНК для транскрипційної фази синтезу білка

сплайцеосом

комплекс ферментів, який служить для зрощування інтронів перед-мРНК стенограми

зрощування

процес модифікації транскрипту перед МРНК шляхом видалення певних, як правило, не кодуючих, областей

транскрипція

процес вироблення молекули мРНК, яка доповнює певний ген ДНК

передача РНК (тРНК)

молекули РНК, які служать для приведення амінокислот до зростаючої поліпептидної нитки і правильного їх розміщення в послідовності

переклад

процес отримання білка з коду нуклеотидної послідовності стенограми мРНК

трійця

послідовна послідовність трьох нуклеотидів на молекулі ДНК, яка при транскрибуванні в кодон мРНК відповідає певній амінокислоті