Связаться
Пробное занятие
Годовой курс (клик)
Телеграм канал bioved

Биосинтез белка на ЕГЭ: полный разбор от ядра до рибосомы

Главный вывод

Биосинтез белка — это процесс, при котором клетка переводит генетическую информацию, закодированную в ДНК, в последовательность аминокислот в молекуле белка. Это пластический обмен (ассимиляция). Процесс подчиняется центральной догме молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Он включает два ключевых этапа — транскрипцию (в ядре) и трансляцию (в цитоплазме на рибосомах). В процессе участвуют три вида РНК (иРНК, тРНК, рРНК), ферменты и АТФ.

I. Основные понятия

Биосинтез белка — это синтез полипептидной цепи на основе информации, закодированной в гене (участке ДНК). По сути это матричный синтез: нуклеиновая кислота служит матрицей, а новые молекулы строятся по принципу комплементарности.
Ген — участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь. Именно ген определяет первичную структуру белка — последовательность аминокислот.

II. Ключевые участники и их функции

1. Ядро — хранение информации и транскрипция

Ядро — место хранения ДНК у эукариот. Здесь происходит транскрипция: двойная спираль ДНК локально раскручивается, и на одной из цепей (матричной) по принципу комплементарности (А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г) синтезируется иРНК.

2. Рибосома — «фабрика» синтеза белка

Рибосома — место трансляции. Состоит из рРНК и белков. У эукариот — 80S (60S + 40S), у прокариот — 70S (50S + 30S).
Функции рибосомы в биосинтезе белка:
  • связывает иРНК и движется по ней;
  • катализирует образование пептидной связи (пептидилтрансферазная активность);
  • предоставляет места связывания для тРНК;
  • обеспечивает точное соответствие кодона и антикодона.

3. Функции трёх видов РНК

иРНК (мРНК) — переносит информацию от ДНК к рибосоме, служит матрицей для трансляции. Одноцепочечная молекула.
тРНК — транспортирует аминокислоты к рибосоме, узнаёт кодон через антикодон. Состоит из 75–90 нуклеотидов, имеет форму «клеверного листа».
рРНК — структурная основа рибосомы, участвует в катализе. Составляет 80–85% всей РНК клетки.

4. Другие структуры

Цитоплазма — основное место трансляции: иРНК выходит через ядерные поры, свободные аминокислоты транспортируются тРНК.
Митохондрии имеют собственные рибосомы (70S) и кольцевую ДНК, синтезируют часть своих белков, но большинство белков митохондрий кодируется ядерными генами и синтезируется в цитоплазме, а затем импортируется.
Лизосомы не участвуют в синтезе белка напрямую. Их функция — расщепление белков и других макромолекул с помощью гидролаз. Они регулируют гомеостаз белков, разрушая отработанные или лишние молекулы.

III. Два основных этапа

Этап 1. Транскрипция — в ядре

Определение: переписывание последовательности нуклеотидов гена ДНК в комплементарную последовательность иРНК.
Характеристики:
  • Место: ядро (у эукариот)
  • Матрица: одна из цепей ДНК (матричная)
  • Фермент: РНК-полимераза
  • Сигнал начала: промотор — участок ДНК, узнаваемый ферментом
  • Сигнал окончания: терминатор
  • Правило комплементарности: А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г (в РНК вместо Т — У)
Краткий ход:
  1. РНК-полимераза узнаёт промотор и связывается с ним.
  2. ДНК локально раскручивается, водородные связи рвутся.
  3. Свободные рибонуклеотиды комплементарно присоединяются к матричной цепи.
  4. При достижении терминатора фермент отделяется, иРНК освобождается.
  5. У эукариот иРНК проходит процессинг (сплайсинг — удаление интронов, кэпирование, полиаденилирование) перед выходом из ядра.

Этап 2. Трансляция — в цитоплазме на рибосомах

Определение: перевод последовательности нуклеотидов иРНК в последовательность аминокислот полипептида.
Характеристики:
  • Место: рибосомы в цитоплазме (свободные или на шероховатой ЭПС)
  • Матрица: зрелая иРНК
  • Сырьё: 20 свободных аминокислот
  • Энергия: АТФ и ГТФ
  • Ключевые ферменты/факторы: аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы инициации, элонгации, терминации
Три подэтапа трансляции:
① Инициация: малая субъединица рибосомы связывается с стартовым кодоном (АУГ) на иРНК; стартовая тРНК с метионином узнаёт АУГ по антикодону; присоединяется большая субъединица — образуется инициаторный комплекс.
② Элонгация: рибосома движется по иРНК в направлении 5'→3'. тРНК с аминокислотами последовательно входят в А-сайт, антикодон комплементарно спаривается с кодоном. Пептидилтрансфераза катализирует образование пептидной связи, полипептид переносится на новую тРНК. Рибосома сдвигается на один кодон, «пустая» тРНК уходит из Е-сайта.
③ Терминация: при достижении стоп-кодона (УАА, УАГ, УГА) ни одна тРНК не может с ним связаться. Факторы терминации узнают сигнал, полипептид гидролизуется и отделяется от тРНК, рибосома распадается на субъединицы.

IV. Генетический код: ключевые правила

Каждые три соседних нуклеотида иРНК (триплет, кодон) соответствуют одной аминокислоте. Свойства генетического кода:
  • Вырожденность: 64 кодона кодируют 20 аминокислот, большинство аминокислот имеют несколько кодонов.
  • Специфичность: один кодон — одна аминокислота.
  • Универсальность: почти все организмы используют одну таблицу кода.
  • Непрерывность: кодоны не перекрываются, между ними нет разделителей.
Старт-кодон: АУГ (кодирует метионин, запускает трансляцию)
Стоп-кодоны: УАА, УАГ, УГА (не кодируют аминокислот)
Антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК, что обеспечивает точную постановку аминокислоты.

V. Сводка по этапам

Транскрипция — место: ядро. Матрица: матричная цепь ДНК. Продукт: иРНК. Ключевой фермент: РНК-полимераза.
Трансляция — место: цитоплазма / рибосомы. Матрица: иРНК. Продукт: полипептид. Ключевой фермент: пептидилтрансфераза.
Особенности биосинтеза белка:
  1. Матричность: матрица не расходуется, может использоваться многократно.
  2. Направленность: иРНК читается в направлении 5'→3'.
  3. Энергозатратность: на каждую пептидную связь расходуется несколько макроэргических связей.
  4. Полисомы: одна иРНК может одновременно транслироваться несколькими рибосомами, что резко повышает эффективность.

VI. Частые заблуждения

«Где происходит биосинтез белка?» — Транскрипция в ядре, трансляция на рибосомах (в цитоплазме или на шероховатой ЭПС).
«Какова функция лизосом?» — Лизосомы не участвуют в синтезе белка. Они отвечают за расщепление белков и внутриклеточное пищеварение, то есть за «переработку» белков.
«Как связаны рибосома и рРНК?» — рРНК — структурное и функциональное ядрорибосомы, составляет около 60% её массы; активный центр, катализирующий пептидную связь, образован преимущественно рРНК.
«Что такое полисома?» — Несколько рибосом, одновременно связанных с одной иРНК, похожих на «бусины на нити». Это значительно ускоряет синтез белка.
«Связаны ли фотосинтез и биосинтез белка?» — Фотосинтез — это пластический обмен, но он обеспечивает клетку энергией и органическими веществами, необходимыми для биосинтеза белка. Прямого участия в синтезе белка фотосинтез не принимает, однако без продуктов фотосинтеза (АТФ, НАДФ·Н, глюкоза) биосинтез белка невозможен.