Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

В. Синтез полипептидной цепи на рибосоме

В ходе синтеза белка прочтение информации мРНК идёт в направлении от 5'- к З'-концу, обеспечивая синтез пептида от N- к С-концу.

Каждая эукариотическая мРНК кодирует строение только одной полипептидной цепи (т.е. она моноцистронна), в отличие от прокариотических мРНК, которые часто содержат информацию о нескольких пептидах (т.е. они поли-цистронны). Эти различия вызваны тем, что у прокариотов ДНК лишена интронов, и РНК-полимераза транскрибирует участки, прочтение информации с которых подчиняется общему регуляторному механизму. Кроме того, на по-лицистронных мРНК синтез белка начинается до того, как заканчивается их собственный синтез, так как процессы транскрипции и трансляции не разделены. У эукариотов трансляция протекает в цитоплазме, куда из ядра поступают уже «зрелые» мРНК.

События на рибосоме включают этапы: инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация

Инициация трансляции представляет собой событие, в ходе которого происходит образование комплекса, включающего Мет-тРНКМет, мРНК и рибосому, где тРНКМет — инициирующая метиониновая тРНК (рис. 4-37). В этом процессе участвуют не менее 10 факторов инициации, которые обозначают как elF (от англ. eukaryotic initiation factors) с указанием номера и буквы. Первоначально 40S субъединица рибосомы соединяется с фактором инициации, который препятствует её связыванию с 60S субъединицей, но стимулирует объединение с тройным комплексом, включающим Мет-тРНК₁^Мет, eIF-2 и ГТФ. Затем этот теперь уже более сложный комплекс связывается с 5'-концом мРНК при участии нескольких elF.

Рис. 4-37. Образование инициирующего комплекса в ходе синтеза белка у эукариотов. Мет-тРНК^Мет объединяется с малой субъединицей рибосомы в форме тройного комплекса: Мет-тРНК^Мет, elF-2 и ГТФ. Образовавшийся более сложный четырёхкомпонентный комплекс присоединяется к 5'-концу мРНК с помощью нескольких дополнительных факторов, и малая субъединица начинает скользить по мРНК до тех пор, пока антикодон Мет-тРНК^Мет не свяжется с инициирующим кодоном AUG. При этом в комплексе происходит изменение состава инициирующих факторов, и ускоряется присоединение 60S субъединицы рибосомы, сопровождающееся гидролизом ГТФ. Мет-тРНК₁^Мет занимает на рибосоме Р-центр

Один из факторов инициации (eIF-4F) узнаёт и присоединяется к участку «кэп» на молекуле мРНК, поэтому он получил название кэпсвязывающе-го белка. Прикрепившись к мРНК, 40S субъединица начинает скользить по некодирующей части мРНК до тех пор, пока не достигнет инициирующего кодона AUG кодирующей нуклеотидной последовательности. Скольжение 40S субъединицы по мРНК сопровождается гидролизом АТФ, энергия которого затрачивается на преодоление участков спирализации в нетранс-лируемой части мРНК. В эукариотических клетках некодирующие участки мРНК имеют разную длину, но обычно от 40 до 80 нуклеотидов, хотя встречаются области с протяжённостью более 700 нуклеотидов.

Достигнув начала кодирующей последовательности мРНК, 40S субъединица останавливается и связывается с другими факторами инициации, ускоряющими присоединение 60S субъединицы и образование 80S рибосомы за счёт гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата. При этом формируются А- и Р-цент-ры рибосомы, причём в P-центре оказывается AUG-кодон мРНК с присоединённой к нему Мет-тРНК₁^Мет.

В клетках есть 2 различающиеся по структуре тРНК, узнающие кодон AUG. Инициирующий кодон узнаёт тРНК₁^Мет, а триплеты мРНК, кодирующие включение метионина во внутренние участки белка, прочитываются другой тРНК^Мет.

2. Элонгация

По завершении инициации рибосома располагается на мРНК таким образом, что в Р-центре находится инициирующий кодон AUG с присоединённой к нему Мет-тРНК^Мет, а в А-центре — триплет, кодирующий включение первой аминокислоты синтезируемого белка. Далее начинается самый продолжительный этап белкового синтеза — элонгация, в ходе которого рибосома с помощью аа-тРНК последовательно «читает» мРНК в виде триплетов нуклеотидов, следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5' к З'-концу, наращивая полипептид ную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот.

Включение каждой аминокислоты в белок происходит в 3 стадии, в ходе которых:

аа-т РНК каждой входящей в белок аминокислоты связывается с А-центром рибосомы;
пептид от пептидил- тРНК, находящейся в P-центре, присоединяется к α-NH₂-rpynne аминоацильного остатка аа-тРНК А-центра с образованием новой пептидной связи;
удлинённая на один аминокислотный остаток пептидил-тРНК перемещается из А-центра в P-центр в результате транслокации рибосомы.

Связывание аминоацил-тРНК в A-центре.
Кодон мРНК, располагающийся в A-центре рядом с инициирующим кодоном, определяет природу аа₁-тРНК^aa₁, которая будет включена в A-центр. аа₁-тРНК^aa₁ взаимодействует с рибосомой в виде тройного комплекса, состоящего из фактора элонгации EF-I, аа₁-тРНК^aa₁ и ГТФ. Комплекс эффективно взаимодействует с рибосомой лишь в том случае, если антикодон аа-тРНК^aa комплементарен и антипараллелен кодону мРНК в A-центре. Включение аа-тРНК^aa в рибосому происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата (рис. 4-38).

Рис. 4-38. Включение аа₁-тРНК^aa₁ в рибосому. аа₁-тРНК^aa₁ взаимодействует с рибосомой в виде тройного комплекса, состоящего из фактора элонгации EF-1, аа₁-тРНК^aa₁ и ГТФ. Антикодон аа-тРНК^aa₁ комплементарен и антипараллелен кодону мРНК в А-центре. Связывание аа₁-тРНК^aa₁ происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и Р

Образование пептидной связи происходит сразу же после отщепления комплекса EF-1 и ГДФ ог рибосомы. Эта стадия процесса получила название реакции транспептидации (рис. 4-39).

Рис. 4-39. Реакция транспептидации. Метионин от Мет-тРНК₁^Мет, находящегося в P-центре, присоединяется к a-NH₂-rpynne аминоацильного остатка аа₁-тРНК^aa₁ A-центра с образованием новой пептидной связи

В ходе этой реакции остаток метионина Мет-тРНK₁^Мет связывается с α-аминогруппой первой аминокислоты, присоединённой ктРНК^aa и расположенной в A-центре, образуется первая пептидная связь. Установлено, что гтептидилтранс-феразная активность большой субъединицы рибосомы принадлежит 28S рРНК. К настоящему времени обнаружена целая группа РНК, обладающая свойствами ферментов. Эти каталитически активные РНК получили название ри-бозимов (см. раздел 2). Полагают, что рибозимы можно считать «реликтами» раннего периода эволюции, когда белки ещё не приобрели такого значения, как в последующие периоды.

Транслокация — третья стадия элонгации. К рибосоме присоединяется фактор элонгации EF-2 и за счёт энергии ГТФ продвигает рибосому по мРНК на один кодон к З'-концу. В результате дипептидил-тРНК, которая не меняет своего положения относительно мРНК, из A-центра перемещается в P-центр. Свободная от метионина тРНК₁^Мет покидает рибосому, а в область А-центра попадает следующий кодон (рис. 4-40).

Рис. 4-40. Стадия транслокации. К рибосоме присоединяется фактор элонгации EF-2, и за счёт энергии ГТФ продвигает рибосому по мРНК на один кодон к З'-концу. Пептидил-тРНК, не меняя своего положения относительно мРНК, из A-центра перемещается в Р-центр

По завершении третьей стадии элонгации рибосома в P-центре имеет дипептидил-тРНК, а в A-центр попадает триплет, кодирующий включение в полипептидную цепь второй аминокислоты. Начинается следующий цикл стадии элонгации, в ходе которого на рибосоме снова проходят вышеописанные события. Повторение таких циклов по числу смысловых кодонов мРНК завершает весь этап элонгации.

3. Терминация

Терминация трансляции наступает в том случае, когда в A-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов: UAG, UAA или UGA. Для стоп-кодонов нет соответствующих тРНК. Вместо этого к рибосоме присоединяются 2 белковых высвобождающих фактора RF (от англ. releasing factor) или фактора терминации. Один из них с помощью пептидилтрансферазного центра катализирует гидролитическое отщепление синтезированного пептида от тРНК. Другой за счёт энергии гидролиза ГТФ вызывает диссоциацию рибосомы на субъединицы (рис. 4-41).

Рис. 4-41. Терминация синтеза белка

Интересно отметить, что факторы трансляции, реализующие эффекты за счёт гидролиза ГТФ, являются членами суперсемейства G-белков, в которое входят G-белки, участвующие в транс-дукции сигналов гормонов и других биологически активных веществ, и Ras-белки, функционирующие как факторы роста (см. разделы 11, 15). Все G-белки связывают и гидролизуют ГТФ. Когда они связаны с ГТФ, то активны и участвуют в соответствующих метаболических процессах, а когда в активном центре в результате гидролиза ГТФ превращается в ГДФ, эти белки приобретают неактивную конформацию.

Таким образом, матричная природа процесса трансляции проявляется в том, что последовательность поступления аминоацил-тРНК в рибосому для синтеза белка строго детерминирована мРНК, т.е. порядок расположения кодонов вдоль цепи мРНК однозначно задаёт структуру синтезируемого белка. Рибосома сканирует цепь мРНК в виде триплетов и последовательно отбирает из окружающей среды «нужные» аа-гРНК, освобождая в ходе элонгации деацилированные гРНК.

Малая и большая субъединицы рибосомы в процессе трансляции выполняют разные функции: малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма трапслокации, а большая субъединица ответственна за образование пептидных связей.