Биосинтез белков в клетках представляет собой начальный этап реализации, или экспрессии генетической информации. В основе биосинтеза единичного белка лежит последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой.
В биосинтезе белков принимают участие разнообразные вещества и структуры: ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, разнообразные ферменты, источники энергии (АТФ и ГТФ), а также нуклеотиды (точнее, рибонуклеотиды) и аминокислоты.
Двухспиральная, или двухцепочечная ДНК является основным носителем генетической информации. В частности, ДНК содержит информацию о структуре белков. Отражение структуры белков с помощью последовательностей нуклеотидов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом (кодированием называется отражение одних объектов с помощью других). Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями ДНК и аминокислотами, входящими в состав белков. При биосинтезе белков единицей генетического кода является триплет ДНК – последовательность из трех пар нуклеотидов (точнее, дезоксирибонуклетотидов) в двухцепочечной ДНК или последовательность из трех нуклеотидов в единичной цепи ДНК. Одна из цепей ДНК называется кодирующей (+), и её триплеты называются кодонами. Другая, комплементарная цепь ДНК называется антикодирующей (–), и её триплеты называются антикодонами.
Матричная, или информационная РНК является посредником в передаче генетической информации и служит матрицей для синтеза полипептида на рибосомах. Каждая молекула мРНК синтезируется на матрице антикодирующей цепи ДНК из отдельных нуклеотидов (рибонуклеотидов) в соответствии с правилами комплементарности (А → У; Т → А; Г → Ц; Ц → Г ). В результате образуется последовательность триплетов, отражающая структуру кодирующей цепи ДНК. Таким образом, триплеты мРНК являются кодонами.
Транспортная РНК осуществляет доставку аминокислот на рибосомы, причем одна молекула тРНК переносит одну молекулу аминокислоты. Плоскостная модель тРНК по общей конформации напоминает клеверный лист на черешке. «Черешок» несет аминокислоту, которая ковалентно присоединяется к тРНК с помощью ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз (эта реакция называется аминоацилированием тРНК, а комплекс из молекулы тРНК и соответствующей аминокислоты называется аминоацил–тРНК). Существует 61 тип тРНК, и каждому типу соответствует строго определенная аминокислота (существует 20 аминокислот, участвующих в синтезе полипептида на рибосомах). В то же время, определенной аминокислоте обычно соответствует несколько типов тРНК. «Вершина листа» несет антикодон – распознающий триплет, в котором последовательность нуклеотидов комплементарна по отношению к определенному кодону мРНК. Каждый тип тРНК характеризуется собственным антикодоном. На рибосомах к определенному кодону мРНК с помощью специфического белка присоединяется антикодон соответствующей молекулы аминоацил-тРНК; такое связывание мРНК и аминоацил-тРНК называется кодонзависимым. На рибосомах аминокислоты соединяются между собой с помощью пептидных связей, а освободившиеся молекулы тРНК уходят на поиски свободных аминокислот.
К главным матричным процессам, обеспечивающим биосинтез белков, относятся транскрипция ДНК и трансляция мРНК. Транскрипция ДНК заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК (матричную, или информационную РНК). Трансляция мРНК заключается в переносе информации с мРНК на полипептид. Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:
| кодоны ДНК (нетранскрибируемая цепь) | А Т Г | Г Г Ц | Т А Т |
| антикодоны ДНК (транскрибируемая цепь) | Т А Ц | Ц Ц Г | А Т А |
| транскрипция ДНК | ß | ß | ß |
| мРНК (кодоны) | А У Г | Г Г Ц | У А У |
| трансляция мРНК | ß | ß | ß |
| тРНК (антикодоны) | У А Ц | Ц Ц Г | А У А |
| аминокислоты белка | метионин | глицин | тирозин |