§ Б-05 Експресія генів і трансляція: декодування мРНК рибосомою та синтез поліпептиду (10–11 клас · Генетичний код і трансляція)
Центральна догма ДНК → мРНК → Білок, триплетний генетичний код, сайти A–P–E рибосоми та тРНК. «Генетична інформація зчитується з мРНК у напрямку 5′→3′ непоєднуваними триплетами (кодонами): в рибосомних сайтах A, P та E антикодони аміноацил-тРНК переводять мову нуклеотидів у послідовність амінокислот.»
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Згідно з центральною догмою молекулярної біології (Ф. Крік), потік генетичної інформації спрямований від ДНК через транскрипцію у матричну РНК (мРНК) і далі через трансляцію на рибосомі у поліпептидний ланцюг білка. Генетичний код є триплетним, однозначним, неперекривним і виродженим: із 4³ = 64 кодонів мРНК 61 кодон є смисловим (включно зі старт-кодоном AUG, що кодує метіонін), а 3 триплети (UAA, UAG, UGA) є термінаторними стоп-кодонами.
Еукаріотична рибосома (80S, складається з малої 40S та великої 60S субодиниць; у прокаріотів 70S = 30S + 50S, стабілізується іонами Mg²⁺) має три функціональні центри зв’язування транспортних РНК (тРНК): А-сайт (аміноацильний, куди за участю фактора EF-Tu·ГТФ надходить нова аміноацил-тРНК), Р-сайт (пептидильний, де утримується тРНК із ростучим поліпептидом) та Е-сайт (вихід звільненої тРНК).
У пептидилтрансферазному центрі великої субодиниці (рибозимна активність рРНК) аміногрупа амінокислоти в А-сайті атакує карбонільний вуглець пептиду в Р-сайті, утворюючи новий пептидний зв’язок –CO–NH–. Після цього фактор EF-G за рахунок гідролізу ГТФ здійснює транслокацію рибосоми рівно на один триплет (3 нуклеотиди) у напрямку 5' → 3'. Сумарна енергетична ціна включення однієї амінокислоти становить ≈ 4 макроергічні зв’язки АТФ/ГТФ.
Приклад із життя
Рибосома, це 3D-принтер білків, який читає перфострічку мРНК по три літери за крок (триплетний кодон). Молекули тРНК працюють як кур’єри: знизу вони звіряють трилітерний код (антикодон), а зверху приносять потрібну амінокислоту. Коли ж принтер натрапляє на знак «КІНЕЦЬ» (стоп-кодон UAA, UAG чи UGA), амінокислота не додається і готовий білок відпускається!
Контрольне запитання та розв’язання
Кожна амінокислота у поліпептидному ланцюзі кодується одним триплетом (кодоном) мРНК з 3 нуклеотидів, причому термінаторний стоп-кодон ( extUAA, extUAG або extUGA) амінокислоти не кодує. Скільки нуклеотидів містить кодуюча ділянка зрілої мРНК (разом зі старт-кодоном extAUG та одним стоп-кодоном) і скільки макроергічних зв’язків АТФ/ГТФ витрачає клітина для синтезу білка з N_аа = 100 амінокислотних залишків (4 макроерги на кожну амінокислоту)?
- А: 100 нуклеотидів мРНК і 100 молекул АТФ
- Б: Кодуюча послідовність мРНК містить 3 N_аа + 3 = 303 нуклеотиди (100 смислових кодонів + 1 стоп-кодон), а енергетичні витрати становлять ≈ 4 N_аа = 400 макроергічних зв’язків АТФ/ГТФ
- В: 300 нуклеотидів мРНК, оскільки стоп-кодон також кодує останню амінокислоту триптофан
- undefined: 900 нуклеотидів мРНК, тому що кожен нуклеотид зчитується тричі зі зсувом рамки
Підказка: Кожна з N_аа амінокислот кодується 3 нуклеотидами плюс 3 нуклеотиди стоп-кодону (3N_аа+3 = 303 для 100 амінокислот), а витрата енергії становить 4N_аа = 400 макроергів АТФ/ГТФ.
Доведення: Генетичний код є триплетним і неперекривним: кожні 3 нуклеотиди мРНК визначають одну амінокислоту (починаючи зі старт-кодону AUG, метіоніну). Завершення трансляції сигналізується одним із трьох стоп-кодонів (UAA, UAG, UGA), який розпізнається білковим фактором термінації RF і не кодує амінокислоти. Тому для поліпептиду з N_аа амінокислот потрібно N_нт = 3 N_аа + 3 нуклеотиди мРНК (для 100 амінокислот, 303 нуклеотиди). На приєднання однієї амінокислоти витрачається 2 макроергічні зв’язки при активації тРНК (АТФ → АМФ + PPᵢ) та 2 молекули ГТФ на рибосомі (фактори EF-Tu і EF-G), тобто 4 N_аа = 400 еквівалентів АТФ/ГТФ.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
ДНК xrightarrowтранскрипція мРНК xrightarrowрибосома (A→P→E) Поліпептид (N_аа)
- Швидкість транслокації рибосоми v_риб (кодонів за секунду): 0.4 … 2.5 ум.од. (стандарт: 1.2 ум.од.)
- Довжина цільового поліпептидного ланцюга N_аа: 20 … 200 амінок. (стандарт: 100 амінок.)
- Концентрація іонів Mg²⁺ (стабілізація субодиниць 40S+60S / 30S+50S): 0.5 … 5 мМ (стандарт: 2.5 мМ)
- Тип кодону в сайті A (1: Норма UUC-Phe, 2: Синонімічна UUU, 3: Місенс UAC-Tyr): 1 … 3 (стандарт: 1)