Nucleic acids and protein synthesis · ⁨Нуклеиновые кислоты и синтез белков⁩

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) являются полимерами мелких единиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей, соединенных вместе:

• фосфатная группа,
• сахар (5-углеродный сахар),
• азотсодержащее основание.

АТФ — это особый нуклеотид. Он содержит основание аденин, сахар рибозу и три фосфатные группы. Отщепление последнего фосфата высвобождает энергию для клетки.

Существует пять оснований, разделенных на две группы:

• пурины имеют двойное кольцо (два кольца): аденин и гуанин.
• пиримидины имеют одиночное кольцо (одно кольцо): цитозин, тимин и урацил.

Молекула ДНК представляет собой две цепи, скрученные вместе в двойную спираль.

Каждая цепь имеет остов из чередующихся сахаров (здесь сахар — дезоксирибоза) и фосфатов. Сахар одного нуклеотида соединен с фосфатом следующего посредством фосфодиэфирной связи.

Две цепи удерживаются вместе своими основаниями, которые встречаются посередине. Спаривание точное — это комплементарное спаривание оснований:

• А всегда спаривается с Т, удерживаемая двумя водородными связями.
• Ц всегда спаривается с Г, удерживаемая тремя водородными связями (так что пара оснований Ц–Г сложнее разделить).

Две цепи идут в противоположных направлениях: одна направлена от 5′ к 3′, а другая от 3′ к 5′. Мы говорим, что они антипараллельны.

Плоская лестница выше скручена в спираль. Эта объемная модель, где каждый атом представлен шариком, показывает реальную форму двойной спирали:

Репликация ДНК (копирование) происходит во время S-фазы клеточного цикла. Она полуконсервативна: каждая новая молекула сохраняет одну старую цепь и одну новую цепь. Шаги следующие:

1. двойная спираль раскручивается, и водородные связи разрываются, поэтому две цепи разделяются.
2. каждая старая цепь служит матрицей. Свободные нуклеотиды спариваются с открытыми основаниями посредством комплементарного спаривания оснований.
3. фермент ДНК-полимераза соединяет новые нуклеотиды в цепь. Он может добавлять нуклеотиды только в направлении от 5′ к 3′.

Из-за этого правила 5′ к 3′, две новые цепи синтезируются по-разному:

• ведущая цепь строится непрерывно, следуя за раскручиванием.
• отстающая цепь строится короткими участками, работая от точки раскручивания. Фермент ДНК-лигаза затем соединяет эти участки вместе.

РНК также состоит из нуклеотидов, но представляет собой одну цепь; её сахар — рибоза, а урацил используется вместо тимина. Наиболее важным типом здесь является мессенджерная РНК (мРНК), которая переносит копию инструкций гена из ядра для использования.

Ген — это последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая один полипептид.

Код читается триплетами — группами из трех оснований. Каждый триплет либо кодирует одну конкретную аминокислоту, либо служит сигналом начала или окончания. Код универсален: почти все живые организмы используют одинаковые триплеты для одних и тех же аминокислот.

Существует 64 возможных триплета, но всего 20 распространенных аминокислот, поэтому большинство аминокислот кодируются более чем одним триплетом.

Транскрипция (в ядре)

Ген ДНК копируется в мРНК. Этот процесс называется транскрипцией.

• цепь ДНК, которая копируется, называется шаблонной цепью; комплементарная ей цепь — нетранскрибируемой цепью.
• фермент РНК-полимераза соединяет РНК-нуклеотиды, которые образуют пары с шаблонными основаниями (урацил спаривается с аденином).
• у эукариот первичный синтезированный РНК (первичный транскрипт) содержит кодирующие участки, называемые экзонами, и некодирующие участки, называемые интронами. Интроны вырезаются, а экзоны соединяются вместе, образуя зрелую мРНК.

Трансляция (на рибосоме)

МРНК покидает ядро и присоединяется к рибосоме. Построение полипептида на основе кода мРНК называется трансляцией.

• мРНК читается по кодонам (каждон кодон — это одна тройка оснований мРНК).
• молекулы транспортной РНК (тРНК) доставляют аминокислоты к рибосоме. Каждая тРНК имеет антитриплет (антикодон), который спаривается с соответствующим кодоном.
• по мере чтения кодонов по порядку рибосома соединяет аминокислоты пептидными связями, строя полипептид.

Разобранное решение. Шаблонная цепь ДНК имеет последовательность TAC GGA CTT. Запишите кодоны мРНК и определите длину полипептида. Транскрибируйте методом комплементарного спаривания оснований, помня, что РНК использует урацил вместо тимина: TAC дает AUG, GGA дает CCU, CTT дает GAA. Таким образом, мРНК имеет последовательность AUG CCU GAA. AUG является стартовым кодоном (метионин), поэтому полипептид состоит из трех аминокислот — двух после удаления стартового метионина. Две ошибки стоят большинства баллов здесь: спаривание A с T вместо U при записи мРНК и транскрипция кодирующей цепи вместо шаблонной. МРНК комплементарна шаблонной и идентична кодирующей цепи за исключением замены T на U.

Мутация гена — это изменение последовательности оснований в молекуле ДНК. Она может изменить синтезируемый полипептид. Выделяют три типа:

• субституция — одно основание заменяется другим. Это изменяет максимум одну аминокислоту, а иногда ни одной (поскольку большинство аминокислот имеют более одного триплета).
• делеция — удаление одного основания.
• инсерция — добавление лишнего основания.

Делеция или инсерция сдвигает чтение каждого последующего триплета, поэтому обычно меняет многие аминокислоты после этого места и оказывает значительное влияние на полипептид.

• ДНК антипараллельна и удерживается водородными связями (A=T две, C≡G три); репликация полуконсервативна (каждый продукт сохраняет одну старую цепь).
• Укажите где и что: транскрипция (ядро → мРНК), трансляция (рибосома, мРНК + тРНК → полипептид).
• Опишите код со всеми четырьмя терминами: триплетный, неперекрывающийся, вырожденный, универсальный.
• Для мутации гена (субституция, инсерция, делеция) объясните эффект на белке — и почему субституция может быть молчаливой (вырожденность).