1.2 Моделирование синтеза первичной структуры белка

Белки – биологические полимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Белки различаются друг от друга в своей первичной структуре, составом и порядком расположения аминокислот. Аминокислоты способны образовать 10²⁴ комбинаций, чем и объясняется многообразие белков (ферментов, гормонов, пигментов, антигенов и т.д.).

Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию.

Информация о составе белка находится в молекулах ДНК. Последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК, определяющих последовательность аминокислот в молекуле синтезируемого белка, называют генетическим кодом. Аминокислоты кодируются тройками нуклеотидов. Тройку нуклеотидов, определяющих включение в полипептидную цепь определенной аминокислоты, называют кодоном (табл. 3).

Синтез белка осуществляется в два этапа: 1 – транскрипция, 2 – трансляция (рис. 2,3).

Рисунок 2 – Схематическое изображение транскрипции

Транскрипция – переписывание генетической информации с молекулы ДНК на и–РНК; и–РНК содержит генетическую информацию в виде последовательности нуклеотидов, точно скопированных по типу комплементарности (А-У; Т-А; Ц-Г; Г-Ц) с соответствующего участка молекулы ДНК.

В процессе транскрипции синтезируется проматричная-РНК, предшественник зрелой м-РНК (и-РНК), участвующей в трансляции. В ДНК эукариот помимо участков, кодирующих р-РНК, т-РНК и полипептиды, есть фрагменты без генетической информации. Они называются интронами, а кодирующие участки – экзонами. В ядре в про-м РНК специальными ферментами (рестриктазами)вырезаются интроны, а экзоны «сращиваются» между собой в строгом порядке при помощи ферментов лигаз. Этот процесс называется сплайсинг. В результате этого процесса образуется зрелая м-РНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида.

Рисунок 3 – Схематическое изображение трансляции

Трансляция – процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где и-РНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.

Трансляция состоит из следующих этапов:

1. Инициация. Происходит активирование и кодирование аминокислот. Т-РНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет – антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на и-РНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей т-РНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс т-РНК – аминокислота, который поступает на рибосомы.

2. Элонгация. И-РНК в цитоплазме соединяется с рибосомами на гранулярной ЭПС (эндоплазматическая сеть), образуется комплекс и-РНК – рибосома. Т-РНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с и-РНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся т-РНК покидает рибосому.

3. Терминация. Синтез заканчивается, когда на и-РНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от и-РНК, с них снимаются полипетидные эндоплазматические сети. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндоплазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулу белка.

Таким образом, последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью азотистых оснований в молекуле и-РНК, которая, в свою очередь, определяется последовательностью азотистых оснований в молекуле ДНК.

Пример1

В одной из цепочек молекулы ДНК (матричная цепь) нуклеотиды чередуются следующим образом: Т-Г-Ц-А-Ц-Г-Т-Т-А-Ц-Г-Г. Выясните, какова последовательность нуклеотидов в другой (комплементарной) цепи этой же молекулы ДНК. Проведите транскрипцию и трансляцию генетической информации.

Для решения задачи необходимо ознакомиться с таблицей генетического кода (табл. 1). Обратите внимание на то, что одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими кодонами. При решении задач следует использовать лишь один из имеющихся кодонов (любой).

Таблица 1 – Последовательность нуклеотидов в кодонах и-РНК для разных аминокислот

Первый нуклеотид кодона	Второй нуклеотид кодона								Третий нуклеотид кодона
	У		Ц		А		Г
У	УУУ УУЦ	Фенилаланин (фен)	УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ	Серин (сер)	УАУ УАЦ	Тирозин (тир)	УГУ УГЦ	Цистеин (цис)	У Ц
	УУА УУГ	Лейцин (лей)			УАА УАГ	Сигнал прекращения синтеза белка	УГА УГГ	Прекращение синтеза, триптофан (три)	А Г
Ц	ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ	Лейцин (лей)	ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ	Пролин (про)	ЦАУ ЦАЦ	Гистидин (Гис)	ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ	Аргинин (арг)	У Ц А Г
					ЦАА ЦАГ	Глутамин (глун)
А	АУУ АУЦ	Изолейцин (лей)	АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ	Треонин (тре)	ААУ ААЦ	Аспарагин (аспн)	АГУ АГЦ	Серин (сер)	У Ц
	АУА АУГ	Метионин (мет)			ААА ААГ	Лизин (Лиз)	АГА АГГ	Аргинин (арг)	А Г
Г	ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ	Валин (вал)	ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ	Аланин (ала)	ГАУ ГАЦ	Аспарагиновая кислота (асп)	ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ	Глицин (гли)	У Ц А Г
					ГАА ГАГ	Глутаминовая кислота (глу)

Решение

В примере дан фрагмент одной цепи молекулы ДНК.

1. На основании комплементарности азотистых оснований построим другую цепочку этой же молекулы ДНК

3' 5'

А

Ц

Г

Т

Г

Ц

А

А

Т

Г

Ц

Ц

– комплементарная цепь

||

|||

|||

||

|||

|||

||

||

||

|||

|||

|||

Т

Г

Ц

А

Ц

Г

Т

Т

А

Ц

Г

Г

– матричная цепь

5' 3'

2. Проведем считывание генетической информации с матричной цепи ДНК на и-РНК – транскрипцию.

5' '3	– матричная цепь ДНК (структурный ген)
Т Г Ц А Ц Г Т Т А Ц Г Г
А Ц Г У Г Ц А А У Г Ц Ц 3' 5'	– и-РНК

3. Полученая и-РНК поступает на рибосомы, где осуществляется процесс трансляции. При этом идет считывание генетического кода – для чего последовательность нуклеотидов и-РНК делим на кодоны (по три нуклеотида). Затем, используя таблицу генетического кода (табл. 1), определяем последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

А Ц Г У Г Ц А А У Г Ц Ц				– и-РНК
Треонин	Цистеин	Аспара гин	Аланин	– Полипептид

Пример 2

Отрезок молекулы белка включает следующие аминокислоты: фенилаланин – валин – серин – лейцин – аргинин. Требуется определить фрагмент структурного гена, кодирующего данные аминокислоты.

Решение

Используя таблицу генетического кода, определяем последовательность азотистых оснований в и-РНК (при наличии нескольких вариантов выбор триплета, кодирующего аминокислоту, произвольный).

белок: фенилаланин – валин – серин – лейцин – аргинин

и-РНК	5'						3'
		УУУ	ГУУ	УЦУ	ЦУУ	АГА

Затем построим матричную и комплементарную ей цепь ДНК.

3'_____________________________________________5'

А А А	Ц А А	А Г А	Г А А	Т Ц Т
|| || ||	||| || ||	|| ||| ||	||| || ||	|| ||| ||
Т Т Т	Г Т Т	Т Ц Т	Ц Т Т	А Г А

_____________________________________________

5' 3'

Пример3

В состав молекулы ДНК входит 16% тимина. Определить процентное и абсолютное количество остальных нуклеотидов и длину этого фрагмента ДНК, если белок, кодируемый этим геном включает 450 аминокислот?

Решение

1. По правилу Чаргаффа (правило комплементарности азотистых оснований) количество тимина в ДНК равно количеству аденина (Т=А), следовательно аденина будет 16%.

2. В сумме получаем: А+Т=32%, следовательно, Г+Ц=100-32%=68%. Следуя правилу Чаргаффа определяем: Г=Ц, т.е. Г=Ц=68:2=34%.

3. Так как одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (кодон), то количество нуклеотидов в гене составит: 450х3=1350, а в двухцепной ДНК количество нуклеотидов будет вдвое больше, то есть 1350х2=2700.

4. Переводим процентное содержание отдельных нуклеотидов в абсолютные величины для гена длиной 2700 нуклеотидов. Для этого составляем пропорции:

2700 – 100 %

Т – 16 %

Т = = 432

А = Т = 432

2700 – 100 %

Г – 34 %

Г = = 918

Ц = Г = 918

(А+Т)+(Г+Ц)=432+432+918+918=2700