Биосинтез белков (трансляция)

Биосинтез белков в организмах осуществляется при помощи ри­босом и является матричным синтезом наряду с репликацией и транс­крипцией и носит название трансляции. Матрицей в процессе трансляции служит мРНК. Трансляция отличается от репликации и транскрипции двумя особенностями:

- нет соответствия между числом мономеров в матрице (мРНК) и в продукте реакции (белке);

- матрица (мРНК) и образующаяся на ней полипептидная цепь (белок) не комплементарны друг к другу.

Это означает, что механизм использования матрицы при транс­ляции иной, чем при репликации и транскрипции.

Первичная структура мРНК содержит в себе биологический код (информацию о первичной структуре белков), и в процессе трансляции происходит как бы декодирование этой информации и образование соот­ветствующего белка.

Установлено, что в биологическом коде кодовое число равно трем, т.е. три нуклеотидных остатка (триплет, или кодон) кодируют включение в белок одной аминокислоты. Число разных триплетов равно 4³=64 (4 - число нуклеотидных мономеров в РНК). 61 триплет использу­ется для кодирования аминокислот, а три: УАА, УАГ, УГА - являются тер­минирующими - на них обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи белка (табл.15).

Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту (свойство специфичности кода); с другой стороны, одна аминокислота может коди­роваться двумя и более (до 6) триплетами (свойство вырожденности ко­да). Например, включение в белок серина кодируется шестью триплета­ми: УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ и АГЦ (см. табл. 15). Установлено, что био­логический код одинаков для всех живых организмов разной степени организации (свойство универсальности кода).

Путь информации от ДНК к белку представляется следующим образом:

Таблица 15. Биологический код

Прямое комплементарное взаимодействие между аминокислота­ми и триплетами нуклеотидов в мРНК, как уже было сказано выше, не­возможно. Взаимодействие косвенное. Роль посредника (или адаптера) в этом процессе выполняют молекулы тРНК: для каждой аминокислоты своя, что обозначается следующим образом: тРНК^Ала (аланиновая тРНК); тРНК^Вал (валиновая тРНК) и т.д. Поскольку код вырожденный, то число разных тРНК должно быть не менее 61.

Взаимодействие тРНК с аминокислотами - ферментативный процесс, идущий с поглощением энергии и приводящий к образованию ковалентной связи между аминокислотой и тРНК:

аминокистота+тРНК^{аминокислоты} + АТФ → аа-тРНК^{аминокислоты} +АМФ +Н₄Р₂О₇.

Образуется соединение называемое аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Амино­кислота присоединяется к З'-концу нуклеотидной цепи тРНК (где имеется последовательность А-Ц-Ц, общая для всех тРНК). При этом получается сложноэфирная связь за счет карбоксильной группы аминокислоты, и гидроксильной группы концевого остатка адениловой кислоты в тРНК:

Эта связь является макроэргической, поэтому образование аа-тРНК можно рассматривать как активацию аминокислоты. Данная реак­ция катализируется ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, обла­дающими субстратной специфичностью: каждый фермент катализирует реакцию только одной аминокислоты с соответствующей ей тРНК.

Образовавшиеся аа-тРНК взаимодействуют с мРНК за счет комплементарности соответствующему кодону мРНК триплета нуклеотидов в одной из петель клеверного листа тРНК, называемого антикодоном.

Таким образом, аа-тРНК присоединяется антикодонами к соот­ветствующим кодонам мРНК и образуется последовательность амино­кислот в соответствии с расположением кодонов в мРНК - возникает бе­лок с определенной первичной структурой.

Процесс активации аминокислот происходит в гиалоплазме клетки, а непосредственно синтез белка - на рибосомах.

Таким образом, для биосинтеза белка требуются: мРНК как ге­нетическая матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка; аминоацил-тРНК - для чтения «текста» мРНК и как источник ами­нокислот при сборке белка; рибосомы как молекулярные машины для последовательного соединения аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с программой мРНК. Кроме того, используется ГТФ как ис­точник энергии при синтезе белка в рибосомах; белковые «факторы», помогающие на разных фазах сборки белка в рибосомах, а также некото­рые ионы как кофакторы ферментов (Мg²⁺, К⁺ и др.).

Устройство рибосом прокариотов и эукариотов примерно оди­наково. Отличаются они лишь молекулярной массой. У эукариотов она больше, чем у прокариотов. Состоят рибосомы из двух субчастиц - боль­шой и малой; скелет каждой из них образует рРНК, окруженная белками.

Установлено, что рибосомы активны только в полностью соб­ранном виде. Рибосомы, не участвующие в синтезе белка, легко диссо­циируют на субчастицы. Рибосомы могут свободно перемещаться в раз­личные участки клетки, что дает возможность собирать белки в клетке там, где это нужно.

Весь процесс трансляции, протекающий на рибосомах, делят на три стадии: инициация (начало), элонгация (удлинение полипелтидной цеgи) и терминация (окончание).

Инициация. Начало трансляции - наиболее медленный про­цесс. В нерабочем состоянии субчастицы рибосом разомкнуты. мРНК, поступившая из ядра в цитоплазму, связывается с малой субчастицой на поверхности, обращенной к большой субчастице. Причем присоединение идет 5'-концом РНК, так как "чтение" программы РНК всегда идет в на­правлении 5' → 3'. В пределах субчастицы умещаются только два кодона мРНК. Первым кодоном мРНК у 5'-конца является АУГ(Меt) или ГУГ(VаI). Эти кодоны называют инициирующими, так как именно с них всегда на­чинается трансляция в рибосомах. Этим кодонам соответствует антикодон метионил-тРНК^Met. Кроме того, в инициации участвуют внерибосомные белки (факторы инициации), которые облегчают связывание мРНК с малой субчастицой и ГТФ. К этому первичному комплексу (факторы ини­циации - малая субчастица- мРНК - Met -т PHK^Met-ГТФ) присоединяется большая субчастица рибосом, после чего факторы инициации удаляются из рибосом. Необходимая для смыкания субчастиц энергия получается за счет гидролиза ГТФ. Образовавшийся инициирующий комплекс (мРНК -Met - TPHK^Met- рибосома) готов к элонгации. Причем метионил - tPHK^Met своим антикодоном комплементарно спаривается с кодоном АУГ мРНК, т.е. как бы "подвешивается" на водородных связях к мРНК, а акцептор­ный конец, где находится аминокислота, прикрепляется к большой суб­частице рибосом (ее пептидильному центру).

Элонгация. Синтез полипептида всегда начинается от N-конца и заканчивается С-концом. Наращивание полипептида на одну аминокислоту осуществляется в три этапа.

1. Связывание аа-тРНК¹. К инициирующему комплексу присое­диняется аа-тРНК¹, соответствующая первому кодону мРНК (следующему за инициирующим кодоном). Эта аа-тРНК¹ взаимодействует и с мРНК (своим а тикодоном), и с определенными участками рибосомы - назовем их центр связывания. Этот процесс требует энергию одной молекулы ГТФ, а также участия в ней рибосомного белка - фактора элонгации EF1.

2. Образование пептидной связи. Остаток метионина с Met-тРНК¹ переносится на аминогруппу остатка аминокислоты в аа-тРНК¹. При этом получается дипептидил- тРНК¹, связанная с кодоном 1 и с цен­тром связывания.

3. Транслокация - перемещение рибосомы относительно мРНК и дипептидил-тРНК¹. В результате этого дипептидил-тРНК¹ оказывается в области пептидильного центра рибосомы, но по-прежнему связана с пер­вым кодоном мРНК. При этом тРНК^Met освобождается из комплекса. Транслокация требует энергию двух молегул ГТФ и внерибосомный белок - фактор элонгации EF2.

Далее эти три этапа повторяются, происходит наращивание пептидной цепи с огромной скоростью: за 1 минуту синтезируется пеп­тид, содержащий 40-60 аминокислот.

Терминация. Удлинение пептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосомы не встретится один из терминирующих триплетов мРНК: УАА, УАГ или УГА. В области этих триплетов при уча­стии внерибосомных белков - факторов терминации - происходит гидро­литическое расщепление связи между пептидом и последней тРНК, осво­бождается готовый белок.

На включение в белок каждой аминокислоты расходуется энер­гия четырех макроэргических молекул: одной АТФ (на стадии синтеза аа-РНК) и трех ГТФ (на стадии элонгации).

Рибосома в ходе трансляции перемещается вдоль мРНК в на­правлении 5' 3' -конец. По мере освобождения 5'-конца к нему при­соединяется новая рибосома и т.д. На молекуле мРНК может поместиться несколько рибосом (каждая соответствует примерно 30 кодонам) - воз­никает полирибосома. Чех длиннее пептидная цепь кодируемого белка, тем длиннее молекула РНК и тем больше число рибосом в полирибосоме.

В процессе трансляции по мере удлинения пептидной цепи формируются сразу вторичная и третичная структуры белка. Функцио­нально активный белок образуется окончательно в ходе посттрансляционной достройки.

Регуляция биосинтеза белков. Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от условий, например, в зависимости от количества и состава пищи, в процессе онтогенеза, при введении некоторых лекарственных веществ. Это происходит в результа­те регуляции скоростей синтеза и распада белков. На рис.40 указаны процессы, от которых зависит концентрация белков в клетке и которые могут быть точками приложения регуляторных механизмов.

Рис. 40. Основные процессы, от скорости которых зависит концентрация белка в живой клетке: 1 транскрипция; 2 - созревание и транспорт мРНК из ядра в цитоплазму; 3 - трансляция; 4 - пост­трансляционная достройка белка; 5 - распад мРНК; 6 - распад белка