трансляция начинается с какого конца
Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Этапы трансляции
Подготовительные стадии
Трансляция
Трансляция – процесс перевода генетической информации с последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в молекуле полипептида. Трансляция осуществляется согласно правилам генетического кода, который имеет следующие особенности:
1. Код – триплетный, т. е. одну аминокислоту определяет три нуклеотида.
2. Код – однозначный (специфичный): каждый кодон обозначает только одну аминокислоту.
3. Код – непрерывный, т. е. отсутствуют сигналы, показывающие конец одного кодона и начало следующего.
4. Код – вырожденный, т. е. одной аминокислоте может соответствовать более одного кодона. Только две аминокислоты – метионин и триптофан – имеют по одному кодону. Лейцину и серину соответствует 6 кодонов, глицину и аланину – по 4 и т. д. Если аминокислота кодируется несколькими кодонами, то в большинстве случаев они различаются по третьей букве, т. е. по нуклеотиду на 3′-конце. Таким образом, специфичность каждого кодона определяется главным образом его первыми двумя нуклеотидами.
5. Код не перекрывается, т. е. один нуклеотид не может одновременно входить в два соседних триплета.
6. Генетический код содержит триплеты, обозначающие начало и окончание синтеза белка. АУГ – инициирующий кодон (кодирует метионин). УАА, УАГ, УГА – терминирующие кодоны, которые не кодируют ни одну из известных аминокислот и сигнализируют об окончании синтеза белка.
7. Генетический код универсален, т. е. одинаков у животных, растений, многих бактерий.
Подготовительные стадии трансляции включают:
— присоединение аминокислот к тРНК.
Обе стадии осуществляются с помощью фермента – аминоацил-тРНК-синтетазы (АРС-азы, кодазы). Существует 20 видов таких ферментов – по числу аминокислот. В каждом случае фермент имеет два центра узнавания – для аминокислоты и тРНК (рис. 35).
Рис. 35. Связывание аминокислоты (фенилаланина – Phe) с тРНК
Собственно процесс трансляции включает три фазы:
Инициация трансляции – начало синтеза полипептидной цепи, заключается в сборке белоксинтезирующей системы (активной рибосомы).
Функциональные центры рибосом.
Каждая рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой. Форма субчастиц, их контактирующих поверхностей, достаточно сложная (рис. 36). На контактирующих поверхностях большой и малой субчастиц в небольших углублениях находятся центры связывания всех компонентов белоксинтезирующей системы (мРНК, пептидил-тРНК, очередная аминоацил-тРНК), а также центры, катализирующие образование пептидной связи и постепенное перемещение рибосомы относительно мРНК.
Рис. 36. Модель рибосомы Escherichia coli (Васильев В.Д., Институт белка РАН):
слева – перекрывающаяся проекция: малая (30S) субчастица обращена к зрителю
и закрывает собой часть большой (50S) субчастицы; справа – боковая проекция:
к зрителю обращен боковой палочкообразный выступ большой (50S) субчастицы,
а малая (30S) субчастица расположена вверху
Функциональные центры рибосом (рис. 37):
1. 
Центр связывания мРНК (М-центр). Образован участком 18S-рРНК, который комплементарен на протяжении 5-9 нуклеотидов 5′-нетранслируемому фрагменту мРНК. Расположен на малой субчастице рибосомы.
2. Пептидильный центр (П-центр). В начале процесса трансляции с пептидильным центром связывается инициирующая аа-тРНК. На последующих стадиях трансляции в пептидильном центре находится пептидил-тРНК, содержащая уже синтезированную часть пептидной цепи.
3. Аминоацильный центр (А-центр) – место связывания очередной аа-тРНК. Аминоацильный и пептидильный центры расположены как на большой, так и на малой субчастицах рибосомы.
4. Каталитический (пептидилтрансферазный) центр (К-центр). Катализирует перенос пептидила из состава пептидил-тРНК на поступившую в амино-ацильный центр очередную аа-тРНК. Расположен на большой субчастице рибосомы.
У прокариот инициация осуществляется при участии трех специфических белков – факторов инициации (IF – Initiation Factors). IF-3, присоединяясь к малой субчастице рибосомы, препятствует преждевременному связыванию большой субчастицы и, с другой стороны, способствует связыванию мРНК. IF-2 участвует в связывании инициирующей аа-тРНК. Вероятно, этот фактор образует комплекс с аа-тРНК еще вне рибосомы, причем в состав комплекса входит ГТФ. В результате образуется так называемый инициаторный комплекс, состоящий из малой субчастицы рибосомы, мРНК, инициаторной аминоацил-тРНК и факторов инициации (рис. 39). Большая субчастица при ассоциации с малой субчастицей вызывает гидролиз ГТФ (до ГДФ и Фн) и одновременно вытесняет все факторы инициации, включая IF-3. В итоге инициации трансляции образуется полная 70S (у прокариот) рибосома с пептидильнымучастком, занятым инициаторной формилметионил-тРНК, и со свободным аминоацильнымучастком.
Рис. 39. Инициация трансляции у прокариот
Элонгация у бактерий осуществляется при участии трех белковых факторов (EF-Tu, EF-Ts, EF-G) и имеет циклический характер.
Цикл элонгации включает 3 стадии:
1. Связывание аа-тРНК с аминоацильным центром рибосомы. На этой стадии со свободным А-центром рибосомы связывается очередная аа-тРНК – та, чей антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемуся в А-центре. Поступив в А-центр, аа-тРНК закрепляется в нем в комплексе с белковым фактором EF-Tu (EF – Elongation Factor) и ГТФ. При участии фактора EF-Тu осуществляется гидролиз ГТФ до ГДФ и Фн, а выделяющаяся энергия расходуется на сближение двух аминокислотных остатков. Комплекс EF-Tu·ГДФ при этом покидает рибосому и регенерируется с участием фактора EF-Ts, так что фактор EF-Tu вновь оказывается связанным с молекулой ГТФ (рис. 40).
Рис. 40. Этап элонгации в синтезе белка у прокариот
2. Образование пептидной связи. В рибосоме после первой стадии цикла находятся пептидил-тРНК (в П-центре) и аа-тРНК (в А-центре). При этом их акцепторные петли и связанные с ними аминокислотные остатки располагаются в каталитическом (К-) центре. Последний и осуществляет пептидилтрансферазную реакцию: переносит пептидил (или инициирующую аминокислоту – формилметионин у прокариот) на аминокислоту поступившей аа-тРНК. Прежняя тРНК пептидила становится свободной (рис. 40).
В ходе пептидилтрасферазной реакции карбоксильная группа пептидила образует пептидную связь с аминогруппой очередной аминокислоты (рис. 41). Таким образом, рост пептидной цепи при трансляции происходит в направлении от N- к С-концу.
Рис. 41. Пептидилтрансферазная реакция
3. Транслокация – перемещение пептидил-тРНК из А-центра в П-центр в результате передвижения рибосомы по мРНК на один кодон. Свободная тРНК вытесняется из рибосомы, и одновременно освобождается А-центр, необходимый для связывания следующей аа-тРНК. Транслокация идет с участием белкового фактора EF-G (у бактерий) и сопровождается гидролизом одной молекулы ГТФ.
Таким образом, удлинение пептидной цепи на один аминокислотный остаток требует расхода двух молекул ГТФ (одна идет на связывание аа-тРНК, вторая – на траслокацию). Многократное повторение циклов элонгации приводит к включению в строящуюся пептидную цепь аминокислотных остатков в соответствии с последовательностью кодонов в мРНК.
В терминации трансляции принимает участие молекула ГТФ, которая, вероятно, служит аллостерическим регулятором активности белковых факторов терминации.
Рис. 42. Терминация синтеза пептидной цепи у бактерий
Трансляция
Под трансляцией в биологии понимают синтез из аминокислот полипептидов, который протекает в цитоплазме на рибосомах при участии 1) мРНК в качестве матрицы, 2) тРНК в качестве переносчика аминокислот, а также 3) ряда белковых факторов, выполняющих каталитическую функцию на разных этапах процесса. Трансляция протекает в клетках всех живых организмов, это фундаментальный процесс живой природы.
С информационной точки зрения трансляцию можно определить как механизм перевода последовательности триплетов мРНК в последовательность аминокислот белка.
Функция рибосом состоит в удерживании в нужном положении мРНК, тРНК и белковых факторов до тех пор, пока не произойдет определенная химическая реакция. Чаще всего это образование пептидной связи между соседними аминокислотами.
Трансляция и биосинтез белка обычно означают одно и то же. Однако, когда говорят о биосинтезе белка, то нередко в него включают посттрансляционные модификации полипептидов (приобретение ими вторичной, третичной и четверичной структур), а также иногда могут включать процесс транскрипции. С этой точки зрения трансляция рассматривается как важный этап в биосинтезе белков.
Процесс трансляции у эукариот и прокариот имеет ряд отличий, в основном связанный с разнообразием и активностью белковых факторов.
На одной цепочке мРНК может находится несколько рибосом, образуя полисому. При этом сразу происходит синтез нескольких идентичных полипептидов (но каждый находится на своей стадии синтеза).
Синтез одного белка обычно длится несколько секунд.
Аминокислоты, из которых синтезируется полипептид, обязательно проходят стадию активации. Сам же процесс трансляции включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
Процесс трансляции обладает свойством специфичности. Во-первых, определенным кодонам мРНК соответствуют свои тРНК. Во вторых, аминокислоты присоединяются только к «своим» тРНК.
Активация аминокислот
Активация аминокислот необходима, так как только в таком состоянии они способны соединяться с тРНК и позже образовывать между собой пептидные связи.
В цитоплазме клеток всегда находятся свободные (не соединенные с другими веществами) аминокислоты. Специфичные ферменты в присутствии АТФ преобразуют аминокислоту в аминоациладенилат, который уже способен соединяться с тРНК.
Существует класс ферментов – аминоацил-тРНК-синтетазы, – которые активируют аминокислоты, используя при этом энергию АТФ. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, после чего присоединяется только к своей тРНК. Образуется комплекс аминокислоты с тРНК – аминоацил-тРНК (аа-тРНК).
Инициация трансляции
Инициация трансляции включает следующие последовательно протекающие при участии факторов инициации этапы:
Присоединение 5′-конца мРНК к малой субъединице рибосомы. При этом стартовый кодон (AUG) размещается в недостроенном (из-за отсутствия большой субъединицы) P-сайте рибосомы.
Комплекс аа-тРНК с соответствующим антикодоном присоединяется к стартовому кодону мРНК. У эукариот кодон AUG кодирует аминокислоту метионин, у прокариот — формил-метионин. Позже эти стартовые аминокислоты вырезаются из готового полипептида.
Происходит объединение субъединиц рибосом, в результате чего достраиваются их P- и A-сайты.
Таким образом, на этапе инициации происходит распознавание рибосомой стартового кодона и подготовка к началу синтеза.
Образующаяся связь между рибосомой и мРНК обратима, мРНК после синтеза полипептида может быть отсоединена от рибосомы. В последствии мРНК используется еще раз или разрушается специальными ферментами.
Стартовый кодон AUG отличается от других таких же кодонов в середине мРНК тем, что перед ним находится кэп и определенные нуклеотидные последовательности. Именно благодаря им AUG распознается как стартовый. (Это касается в основном эукариот.)
Элонгация трансляции
На этом этапе происходит непосредственный синтез полипептидной цепочки. Процесс элонгации состоит из множества циклов. Один цикл элонгации — это присоединение одной аминокислоты к растущей полипептидной цепочке.
Уже на этапе инициации P-сайт рибосомы оказывается занятым первой тРНК, несущей аминокислоту метионин. В первом цикле элонгации в A-сайт рибосомы заходит второй комплекс aa-тРНК. Это будет та тРНК, чей антикодон комплементарен следующему (за стартовым AUG) кодону.
A(аминоацил)- и P(пептидил)-сайты располагают комплексы аа-тРНК так, что между аминокислотами протекает химическая реакция, и образуется пептидная связь.
После этого первая (находящаяся в P-сайте) тРНК освобождается от своей аминокислоты. В результате последняя оказывается связанной только со второй аминокислотой пептидной связью. Вторая аминокислота связана со второй тРНК, находящейся в A-сайте.
Рибосома перемещается по нити мРНК на один триплет. При этом первая т-РНК оказывается в E-сайте (exit) рибосомы, после чего покидает ее. Вторая т-РНК, связанная с двумя аминокислотами, переходит в P-сайт. A-сайт освобождается для поступления третьего комплекса аа-тРНК.
Следующие циклы элонгации протекают аналогично первому. Когда A-сайт освобождается, в него может зайти аа-тРНК, чей антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемся в этот момент в A-сайте.
Терминация трансляции
Терминация — это завершения синтеза полипептидной цепочки и ее отделение. Терминация наступает, когда рибосома встречает один из терминирующих кодонов (UAA, UAG, UGA), для которых не существует своих тРНК. Эти участки мРНК распознаются специальными белками — факторами терминации.
Биосинтез белка и генетический код: транскрипция и трансляция белка
Биосинтез белка и генетический код
Биосинтез белка — это ферментативный процесс синтеза белков в клетке, в котором принимают участие три структурных элемента клетки: ядро, цитоплазма и рибосомы.
Молекулы ДНК в ядре клетки сохраняют информацию обо всех белках, синтезирующихся в этой клетке. Эта информация находится в зашифрованном виде — шифруется 4-буквенным кодом.
Генетический код представляет собой последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющей последовательность аминокислот в молекуле белка.
Генетический код обладает следующими свойствами:
К примеру, такая кислота как цистеин кодируется при помощи триплета А-Ц-А. В отношении валина — это Ц-А-А.
Если взять аминокислоту тирозин, то она кодируется при помощи двух триплетов.
УАГ, УАА, УГА — три несодержательных кодона, не кодирующие аминокислоты. Предполагается, что они выступают в качестве стоп-сигналов, благодаря которым происходит разделение генов в молекуле ДНК.
Ген — участок молекулы ДНК, для которого свойственна определенная последовательность нуклеотидов. Ген определяет синтез одной полипептидной цепи.
Этапы биосинтеза белка: транскрипция и трансляция
Транскрипция белка
Этапы биосинтеза белка основаны на двух процессах: транскрипции и трансляции.
Самый популярный вопрос в рамках этой темы — где происходит синтез белка. И только потом разбираются с этапами синтеза белка (и схемой биосинтеза белка).
Любая белковая молекула имеет структуру, закодированную в ДНК. В ее синтезе эта ДНК не принимает непосредственного участия. Роль белковой молекулы — роль матрицы для синтеза РНК.
Далее охарактеризуем функции различных видов РНК в биосинтезе белка.
Где и как происходит биосинтез белка? Синтез белка происходит в, а точнее, синтез белка происходит на рибосомах — в основном они размещаются в цитоплазме. Поэтому, чтобы генетическая информация из ДНК передалась к месту, где белок синтезируется, необходим посредник.
Роль такого посредника играет иРНК.
Первый этап биосинтеза белка — транскрипция.
Транскрипция (переписывание) — процесс синтеза молекулы иРНК на одной цепи молекулы ДНК, в основе которого лежит принцип комплементарности.
Биосинтез белка происходит в рибосомах — с этим мы разобрались.
Где происходит транскрипция? Этот процесс осуществляется в ядре клетки.
Транскрипция происходит в одно и то же время не на всей молекуле ДНК — для этого достаточно одного небольшого участка, отвечающего за определенный ген. Часть двойной спирали ДНК раскручивается, и короткий участок одной из цепей оголяется. Роль матрицы в синтезе молекул иРНК выполняет этот же участок.
Далее в дело вступает фермент РНК-полимераза, который движется вдоль этой цепи. Он соединяет нуклеотиды в цепь иРНК, тем самым удлиняя ее.
Процесс транскрипции осуществляется одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосом.
иРНК, образованная в результате, имеет последовательность нуклеотидов — точную копию последовательности нуклеотидов на матрице.
Если молекула ДНК содержит азотистое основание цитозин, то иРНК — гуанин и наоборот. Комплементарная пара ДНК — аденин-тимин, РНК — аденин-урацил.
тРНК и рРНК (другие типы РНК) синтезируются на специальных генах.
Специальные триплеты строго фиксируют начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК. Они же осуществляют контроль запуска и остановку синтеза (инициирующие и терминальные). Между генами они играют роль «разделительных знаков».
Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. По своей форме молекула тРНК — лист клевера. Вверху этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодировку аминокислоты (ее эта тРНК и переносит).
Количество тРНК определяется количеством аминокислот.
Так как много аминокислот кодируется при помощи нескольких триплетов, то количество тРНК превышает 20. Сегодня известно примерно 60 тРНК.
Ферменты — связующее звено между аминокислотами и тРНК. С помощью молекул тРНК осуществляется транспортировка аминокислот к рибосомам.
Кратко о трансляции в биологии
Что такое трансляция в биологии и как связан с трансляцией биосинтез белка?
В биологии трансляция — это процесс реализации информации о структуре белка, представленной в иРНК последовательностью нуклеотидов, как последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка.
Как и где происходит биосинтез белка в рамках трансляции и какова схема синтеза белка?
Первый этап трансляции белка — присоединение иРНК к рибосоме. Далее трансляция в биологии — это нанизывание первой рибосомы, синтезирующей белок, на иРНК. Далее трансляция синтеза белка основывается на нанизывании новой рибосомы — по мере того, как предыдущая рибосома продвигается на конец иРНК, который освобождается.
Одна иРНК может одновременно вмещать свыше 80 рибосом, синтезирующих один и тот же белок.
Полирибосома или полисома — группа рибосом, соединенных с одной иРНК,
Информация, записанная на иРНК (а не рибосома), определяет вид синтезируемого белка. Разные белки могут синтезироваться одной и той же рибосомой. Рибосома отделяется от иРНК после того, как синтез белка завершается. Заключительный этап трансляции — это синтез белка или его поступление в эндоплазматическую сеть.
Рибосома включает две субъединицы: малую и большую. Присоединение молекулы иРНК происходит к малой субъединице. Место, в котором рибосома и иРНК контактируют, содержит 6 нуклеотидов (2 триплета). Из цитоплазмы к одному из триплетов постоянно подходят тРНК с различными аминокислотами. Своим антикодоном они касаются кодона иРНК. В случае комплементарности кодона и антикодона, возникает пептидная связь: она образуется между аминокислотой уже синтезированной части белка и аминокислотой, доставляемой тРНК.
Фермент синтетазы участвует в соединении аминокислот в молекулу белка. После отдачи аминокислоты молекула тРНК переходит в цитоплазму, в результате чего рибосома перемещается на один триплет нуклеотидов. Таким образом, происходит последовательный синтез полипептидной цепи. Этот процесс длится до момента достижения рибосомой одного из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. Как только это происходит, синтез белка останавливается.
Последовательность того, как аминокислоты включаются в цепь белка, определяется последовательностью кодонов иРНК. В каналы эндоплазматического ретикулюма поступают синтезированные белки. Синтез одной молекулы белка в клетке происходит в течение 1-2 минут.
Схема синтеза белка выглядит следующим образом:
Из схемы биосинтеза белка выше вы можете понять, на чем осуществляется синтез белков, как происходит биосинтез белка, и что кроется за трансляцией и транскрипцией.
Также предлагаем изучить таблицу биосинтеза белка. Здесь описано, как осуществляется синтез белков в клетке, описываются кратко транскрипция и трансляция (этапы синтеза белка).
Таблица биосинтеза белка:
Из таблицы становится ясно, как проходит синтез белка, какие основные этапы синтеза белка, какова роль транскрипции в биосинтезе белка, где происходит синтез белков (место), а также кратко описаны стадии биосинтеза белка.
Таким образом мы охарактеризовали функции различных видов РНК в биосинтезе белков. На примере трансляции и транскрипции мы рассмотрели основные этапы биосинтеза белка.
Это информация о синтезе (биосинтезе) белка кратко.