Биосинтез белка: этапы от гена до готовой цепи

Биосинтез белка - это путь от участка ДНК до работающей молекулы, и на экзамене почти всегда просят разложить его по этапам: где идёт стадия, какие молекулы в ней участвуют и что получается на выходе. Формально этапов два - транскрипция и трансляция, но в живой клетке между ними стоит созревание мРНК, а после сборки цепи - фолдинг и химические модификации, без которых полипептид ещё не белок. Разберём стадии по порядку, отметим, чем отличается процесс у прокариот, и покажем, как из этой схемы вырастают типовые расчётные задачи. Чтобы собрать разбор под свой вопрос, воспользуйтесь формой ниже.

Этапы биосинтеза белка: общая схема

Направление передачи информации в клетке описывает центральная догма молекулярной биологии: ДНК передаёт информацию на РНК, а РНК - на белок. Развёрнутая схема биосинтеза белка выглядит так:

1. Транскрипция - участок ДНК (ген) переписывается в про-мРНК. Место: ядро у эукариот, цитоплазма у прокариот.
2. Процессинг - про-мРНК созревает: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг. Только у эукариот.
3. Транспорт зрелой мРНК через ядерные поры в цитоплазму. Только у эукариот.
4. Трансляция - рибосома собирает полипептид по кодонам мРНК: инициация, элонгация, терминация.
5. Посттрансляционный этап - фолдинг цепи и химические модификации до функционального белка.

Пункты 1 и 4 - главные, их называют собственно этапами биосинтеза. Пункты 2, 3 и 5 - подготовительные и завершающие, но именно на них чаще всего срезаются в развёрнутых ответах.

Этап 1. Транскрипция: ген переписывается в мРНК

Транскрипцию ведёт фермент РНК-полимераза. Она садится на промотор - служебную последовательность перед геном, расплетает двойную спираль и синтезирует РНК по одной из двух цепей ДНК. Эту цепь называют матричной (кодогенной, транскрибируемой); вторая цепь - кодирующая, её последовательность совпадает с будущей мРНК с точностью до замены тимина на урацил.

Сборка идёт по принципу комплементарности, но с поправкой на состав РНК: аденину ДНК соответствует урацил РНК, тимину - аденин, гуанину - цитозин и наоборот. Цепь РНК растёт строго в направлении от 5'-конца к 3'-концу, то есть матрица читается в противоположном направлении. Дойдя до терминатора, полимераза отсоединяется, и синтез прекращается.

Рассчитать для своей задачи

Итог этапа - первичный транскрипт (про-мРНК), точная РНК-копия гена, включая некодирующие вставки.

Процессинг: как про-мРНК становится зрелой матрицей

У эукариот транскрипт не готов к работе сразу. Он проходит три обработки:

• Кэпирование: на 5'-конец надевается модифицированный нуклеотид (7-метилгуанозин). Кэп защищает РНК от нуклеаз и служит меткой для рибосомы.
• Полиаденилирование: на 3'-конец достраивается поли(А)-хвост из 100-250 адениловых нуклеотидов, задающий срок жизни молекулы.
• Сплайсинг: сплайсосома вырезает интроны (некодирующие участки) и сшивает экзоны в непрерывную кодирующую последовательность.

Сплайсинг объясняет, почему зрелая мРНК заметно короче гена, и почему один ген может давать несколько разных белков: при альтернативном сплайсинге экзоны комбинируются по-разному. У бактерий этого этапа нет - их мРНК транслируется без созревания.

Генетический код и тРНК: словарь перевода

Между нуклеотидами и аминокислотами стоит генетический код: каждой аминокислоте соответствует триплет нуклеотидов мРНК - кодон. Всего кодонов $4^3 = 64$: 61 смысловой и 3 стоп-кодона (УАА, УАГ, УГА), которые не кодируют аминокислот. Старт-кодон АУГ задаёт метионин и точку отсчёта рамки считывания.

Свойства кода стоит помнить дословно: триплетность, специфичность (один кодон - одна аминокислота), вырожденность (аминокислот 20, а кодонов 61, поэтому у большинства аминокислот несколько кодонов), неперекрываемость, отсутствие знаков препинания внутри рамки и универсальность для почти всех организмов.

Переводчик между двумя языками - транспортная РНК. На одном её конце антикодон, комплементарный кодону мРНК, на другом - присоединённая аминокислота. Как устроена сама молекула, разобрано в материале про вторичную структуру тРНК и клеверный лист.

Этап 2. Трансляция: инициация, элонгация, терминация

Трансляция идёт на рибосоме и делится на три стадии.

Инициация. Малая субъединица рибосомы связывается с мРНК, находит старт-кодон АУГ, к нему подходит инициаторная тРНК с метионином, после чего присоединяется большая субъединица. Собранная рибосома имеет три участка: А (приём новой аминоацил-тРНК), Р (удержание растущей цепи) и Е (выход пустой тРНК). Устройство бактериальной рибосомы подробно разобрано в статье про структуру рибосомы прокариот 70S.

Элонгация. Цикл из трёх шагов повторяется на каждую аминокислоту: тРНК с нужным антикодоном входит в А-участок; пептидилтрансферазный центр большой субъединицы образует пептидную связь и переносит растущую цепь на новую тРНК; рибосома делает транслокацию - сдвигается на один кодон, пустая тРНК уходит через Е-участок.

Рассчитать для своей задачи

Терминация. Когда в А-участке оказывается стоп-кодон, тРНК с таким антикодоном нет; вместо неё связывается белковый фактор терминации, гидролизующий связь между цепью и тРНК. Полипептид освобождается, субъединицы рибосомы расходятся.

Этап энергозатратный: на каждую аминокислоту тратится около четырёх макроэргических связей - две при активации аминокислоты (АТФ распадается до АМФ) и две молекулы ГТФ на доставку тРНК и транслокацию.

Этап 3. Фолдинг и посттрансляционные модификации

Линейная цепь ещё не белок. Параллельно с выходом из рибосомы она сворачивается в нативную конформацию, часто при участии шаперонов, которые не дают цепи слипнуться в неправильный клубок - об этом подробно в разборе фолдинга белка и работы шаперонов.

Дальше идут химические доработки: отщепление стартового метионина и сигнального пептида, гликозилирование, фосфорилирование, гидроксилирование, образование дисульфидных мостиков. Многие белки работают только как комплекс из нескольких цепей, то есть достраивают четвертичную структуру из субъединиц.

Прокариоты и эукариоты: где этапы расходятся

Рассчитать для своей задачи

У бактерий ядра нет, поэтому рибосомы садятся на мРНК ещё до того, как полимераза закончила её синтез: транскрипция и трансляция сопряжены во времени и пространстве. Сплайсинга нет, рибосома 70S, первая аминокислота - формилметионин.

У эукариот этапы разнесены: транскрипция и процессинг идут в ядре, трансляция - в цитоплазме на рибосомах 80S или на шероховатой ЭПС. Разделение мембраной даёт дополнительный уровень регуляции, но требует транспорта мРНК.

Общее для обоих царств - полирибосомы: на одной мРНК одновременно работает несколько рибосом, что резко повышает выход белка.

Расчётные задачи на этапы биосинтеза

Схема этапов сразу даёт набор соотношений. Если белок содержит $n$ аминокислот, то число нуклеотидов в кодирующей части мРНК и в каждой цепи гена равно

$N = 3n$

Длина участка ДНК при расстоянии между нуклеотидами 0,34 нм:

$L = 3n \cdot 0{,}34\ \text{нм}$

Средняя молекулярная масса белка оценивается как $M \approx 110n$, а число молекул воды, выделившихся при образовании пептидных связей, равно $n - 1$.

Пример: белок из 100 аминокислот кодируется 300 нуклеотидами мРНК; ген содержит 300 пар нуклеотидов, его длина $300 \cdot 0{,}34 = 102$ нм, масса белка около 11 000 Да. Если в задаче упомянут стоп-кодон, к 300 нуклеотидам добавляют ещё три.

Частые ошибки

• Путают матричную и кодирующую цепи ДНК: мРНК комплементарна матричной цепи и совпадает по последовательности с кодирующей.
• Пишут тимин в составе РНК. В РНК вместо тимина урацил, тимин остаётся только в ДНК.
• Считают, что стоп-кодон кодирует аминокислоту. Он лишь сигнал остановки, аминокислоты ему не соответствует.
• Приписывают бактериям сплайсинг и ядерный этап: у прокариот процессинга мРНК нет, а транскрипция и трансляция идут одновременно.
• Заканчивают ответ на выходе цепи из рибосомы, забывая про фолдинг и модификации.

FAQ

Сколько этапов у биосинтеза белка? В кратком ответе два: транскрипция и трансляция. В развёрнутом выделяют пять стадий - транскрипцию, процессинг, транспорт мРНК, трансляцию и посттрансляционные преобразования. Уточните у преподавателя, какая схема принята в вашем курсе.

Где происходит каждый этап? У эукариот транскрипция и процессинг - в ядре, трансляция - в цитоплазме на свободных рибосомах или на шероховатой ЭПС, модификации - в ЭПС и аппарате Гольджи. У прокариот всё идёт в цитоплазме.

Чем транскрипция отличается от трансляции? Транскрипция переписывает информацию внутри одного языка нуклеотидов: матрица - ДНК, продукт - РНК, фермент - РНК-полимераза. Трансляция переводит нуклеотидный текст в аминокислотный: матрица - мРНК, продукт - полипептид, машина - рибосома.

Коротко

Биосинтез белка идёт по цепочке ДНК - мРНК - белок. На транскрипции РНК-полимераза строит по матричной цепи гена про-мРНК; у эукариот та созревает при кэпировании, полиаденилировании и сплайсинге и уходит в цитоплазму. На трансляции рибосома читает мРНК триплетами, тРНК подносят аминокислоты, и за циклы элонгации собирается полипептид, который освобождается на стоп-кодоне. Завершают процесс фолдинг и химические модификации. Знание порядка этапов и соотношения три нуклеотида на одну аминокислоту закрывает и теоретические вопросы, и типовые расчёты.