16.7: Синтез білка РНК та генетичний код

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20727

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть характеристики генетичного коду.
Опишіть, як синтезується білок з мРНК.

Одне з визначень гена таке: сегмент дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), що несе код для конкретного поліпептиду. Кожна молекула месенджерної РНК (мРНК) - це транскрибована копія гена, який використовується клітиною для синтезу поліпептидного ланцюга. Якщо білок містить дві або більше різних поліпептидних ланцюгів, кожен ланцюг кодується різним геном. Перейдемо тепер до питання про те, як послідовність нуклеотидів в молекулі рибонуклеїнової кислоти (РНК) перекладається в амінокислотну послідовність.

Як молекула, що містить всього 4 різних нуклеотиди, може визначити послідовність 20 амінокислот, які зустрічаються в білках? Якщо кожен нуклеотид закодований для 1 амінокислоти, то, очевидно, нуклеїнові кислоти могли б кодувати лише 4 амінокислоти. Що робити, якщо амінокислоти були закодовані за групами по 2 нуклеотиди? Існує 4, ², або 16, різних комбінацій 2 нуклеотидів (АА, АС, АГ, УУ і так далі). Такий код більш обширний, але все ще не адекватний коду для 20 амінокислот. Однак якщо нуклеотиди розташовані групами по 3, кількість різних можливих комбінацій становить 4, ³, або 64. Тут ми маємо код, який досить великий, щоб спрямувати синтез первинної структури білкової молекули.

Відео: Анімація проекту анімації віртуальних клітинок NDSU «Переклад». Для отримання додаткової інформації див. http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations

Таким чином, генетичний код можна описати як ідентифікацію кожної групи з трьох нуклеотидів та її конкретної амінокислоти. Послідовність цих триплетних груп в мРНК диктує послідовність амінокислот в білку. Кожна окрема тринуклеотидна одиниця кодування, як ми бачили, називається кодоном.

Синтез білка здійснюється шляхом впорядкованої взаємодії між мРНК та іншими рибонуклеїновими кислотами (переносна РНК [тРНК] та рибосомальна РНК [рРНК]), рибосомою та понад 100 ферментами. МРНК, утворена в ядрі під час транскрипції, транспортується через ядерну мембрану в цитоплазму до рибосом, несучи з собою генетичні вказівки. Процес, в якому інформація, закодована в мРНК, використовується для направлення секвенування амінокислот і, таким чином, в кінцевому підсумку для синтезу білка називається перекладом.

19.12.jpg — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зв'язування амінокислоти з її тРНК

Перш ніж амінокислота може бути включена в поліпептидний ланцюг, вона повинна бути прикріплена до своєї унікальної тРНК. Цей найважливіший процес вимагає ферменту, відомого як аміноацил-тРНК синтетаза (рис.\(\PageIndex{1}\)). Існує специфічна аміноацил-тРНК-синтетаза для кожної амінокислоти. Цей високий ступінь специфічності є життєво важливим для включення правильної амінокислоти в білок. Після того, як молекула амінокислоти була пов'язана зі своїм носієм тРНК, може відбутися синтез білка. \(\PageIndex{2}\)На малюнку зображено схематичне покрокове зображення цього найважливішого процесу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Етапи подовження в синтезі білка

Перед ранніми експериментаторами стояло завдання визначити, який з 64 можливих кодонів припадає на кожну з 20 амінокислот. Розтріскування генетичного коду було спільним досягненням кількох відомих генетиків - зокрема Хара Хорани, Маршалла Ніренберга, Філіпа Ледера та Северо Очоа - з 1961 по 1964 рік. Складено ними генетичний словник, узагальнений на рис.\(\PageIndex{3}\), показує, що 61 кодон код для амінокислот, а 3 кодона служать сигналами для припинення синтезу поліпептидів (так само, як і період в кінці речення). Зверніть увагу, що тільки метіонін (AUG) і триптофан (UGG) мають одиничні кодони. Всі інші амінокислоти мають два і більше кодонів.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Генетичний код

Приклад\(\PageIndex{1}\): Using the Genetic Code

Частина молекули мРНК має послідовність 5′‑AUGCCCACGAGUUGAC‑3′. Яка послідовність амінокислот робить цей код для?

Рішення

Використовуйте рисунок,\(\PageIndex{3}\) щоб визначити, для якої амінокислоти кожен набір трьох нуклеотидів (кодон) кодів. Пам'ятайте, що послідовність читається починаючи з 5′ кінця і що білок синтезується, починаючи з N-кінцевої амінокислоти. Послідовність 5′‑AUGCCCACGAGUGAC‑3′ коди для мет-про-арг-валь-асп.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Частина молекули мРНК має послідовність 5′‑AUGCUGAUUGCGUAGGA‑3′. Яка послідовність амінокислот робить цей код для?

мет-лей-асн-цис-валь-гли

Природа генетичного коду

Подальші експерименти пролили багато світла на природу генетичного коду, а саме:

Код практично універсальний; тваринні, рослинні та бактеріальні клітини використовують однакові кодони для визначення кожної амінокислоти (за кількома винятками).
Код «вироджений»; у всіх випадках, крім двох (метіонін і триптофан), більше одного триплетного коду для даної амінокислоти.
Перші дві основи кожного кодону найбільш значущі; третя база часто варіюється. Це говорить про те, що зміна третьої бази мутацією все ще може дозволити правильне включення даної амінокислоти в білок. Третю основу іноді називають «коливається» основою.
Код безперервний і неперекривається; нуклеотидів між кодонами немає, а сусідні кодони не перекриваються.
Три кінцеві кодони зчитуються спеціальними білками, званими факторами вивільнення, які сигналізують про закінчення процесу перекладу.
Кодон AUG коди для метіоніну, а також є кодоном ініціації. Таким чином, метіонін є першою амінокислотою в кожному новосинтезованому поліпептиді. Ця перша амінокислота зазвичай видаляється ферментативно до завершення поліпептидного ланцюга; переважна більшість поліпептидів не починається з метіоніну.

Резюме

У транскрипції сегмент ДНК служить шаблоном для синтезу послідовності РНК.
РНК-полімераза є первинним ферментом, необхідним для транскрипції.
У перекладі інформація в мРНК спрямовує порядок амінокислот в синтезі білка. Набір з трьох нуклеотидів (кодонових) кодів для конкретної амінокислоти.

Дописувачі та атрибуція

Лібретекст: Основи хімії GOB (Ball et al.)