Страница 28 из 64
Инициация трансляции
Под инициацией трансляции понимают процесс формирования функционально активного комплекса рибосома 70S – мРНК, постановки формилметионил-тРНК на Р-участок рибосомы и освобождения А-участка для очередной аминоацил-тРНК. В результате вся белоксинтезирующая система переводится в состояние, позволяющее соединять аминокислоты в полипептидную цепь в той последовательности, которая задается мРНК.
В образовании инициаторного комплекса принимают участие: мРНК с инициирующим кодоном АУГ (ГУГ); обе субъединицы (30S и 50S); белковые факторы инициации (IF-1, IF-2, IF-3), фактор ассоциации (AF); формилметионил-тРНК и ГТФ. Процесс инициации складывается из нескольких стадий, катализируемых белковыми факторами инициации. Каждая 70S рибосома собирается на мРНК из двух субъединиц 30S и 50S. Вначале присоединяется 30S субъединица, предварительно нагруженная инициаторной тРНК, узнающей инициаторный кодон АУГ и несущей метионин. Этот процесс катализируется IF-2. 30S субъединица присоединяется к инициаторному кодону путем спаривания антикодона соединенной с ней инициаторной тРНК с инициаторным кодоном АУГ мРНК. В молекуле мРНК обычно имеется много кодонов АУГ, и каждый из них кодирует метионин. Выбор инициаторного кодона АУГ облегчается особой структурой бактериальной мРНК (см. рис. 21). Инициаторным кодоном всегда служит АУГ, ближайший к 5'-НТП. После завершения этого процесса все факторы инициации, остававшиеся до этого момента связанными с 30S субъединицей, отделяются от нее, к ней присоединяется 50S субъединица, и формируется функционально активная рибосома 70S. Молекула инициаторной тРНК с метионином оказывается связанной с Р-участком рибосомы. Поэтому синтез полипептидной цепи может начинаться сразу же после присоединения к свободному А-участку рибосомы второй молекулы аа-тРНК, выбор которой определяется кодоном, расположенным в молекуле мРНК сразу же после инициаторного АУГ-кодона. Далее начинается стадия элонгации.
Элонгация
Элонгация представляет собой процесс удлинения растущей на рибосоме полипептидной цепи за счет включения в нее аминокислотных остатков в последовательности, соответствующей порядку расположения кодонов в мРНК.
После присоединения к формилметионину очередной аминоацил-тРНК растущая полипептидная цепь превращается в пептидил-тРНК.
Для осуществления элонгации, помимо уже сформировавшегося активного комплекса 70S-рибосома – мРНК – формилметионил-тРНК (пептидил-тРНК), необходимо участие белковых факторов элонгации (у прокариот – EF-Тu, EF-Ts, EF-G) иГТФ.
Элонгация протекает как многократно повторяющийся (по числу кодонов в мРНК) циклический процесс, складывающийся из трех отдельных этапов (рис. 26).
Первый этап – связывание молекулы аа-тРНК со свободным А-участком рибосомы. При этом Р-участок занят тРНК, несущей пептидил. Связывание происходит путем спаривания нуклеотидов антикодона аа-тРНК с кодоном мРНК, расположенным в А-участке.
Второй этап – образование очередной пептидной связи. Карбоксильный конец растущего пептидила отделяется в Р-участке от молекулы донорной тРНК (т. е. тРНК, несущей пептидил) и образует пептидную связь с аминокислотой, присоединенной к молекуле акцепторной тРНК (т. е. служащей акцептором для растущего пептидила) в А-участке (см. формулу на с. 69).
Третий этап – транслокация. Образовавшаяся новая пептидил-тРНК переносится из А-участка в Р-участок рибосомы, а сама рибосома продвигается вдоль мРНК ровно на один кодон (три нуклеотида). Это событие требует затраты энергии. Движущей силой транслокации служит ряд конформационных изменений, вызываемых в одном из белков рибосомы в результате гидролиза связанной с ним ГТФ. В момент транслокации происходит отделение освободившейся во время второго этапа от пептидила в Р-участке тРНК и возвращение ее в цитоплазму. По завершении третьего этапа рибосома возвращается в состояние, аналогичное исходному. Ее А-участок свободен и может принять новую молекулу аа-тРНК, отбираемую очередным кодоном мРНК, т. е. рибосома может снова повторить цикл элонгации.
Рис. 26. Схематическое изображение основных фаз элонгации, протекающей на рибосомах
Объяснение в тексте (по Б. Альбертсу [и др.])
Таким образом, каждый цикл работы рибосомы означает присоединение одной аминокислоты (трансляцию одного кодона). В ходе элонгации рибосома совершает последовательно столько циклов, сколько кодонов она транслирует, т. е. сколько аминокислот она включает в полипептидную цепь.
Терминация трансляции
Терминация трансляции – процесс завершения синтеза полипептидной цепи и освобождение ее из связи с последней донорной тРНК и с рибосомой. Функцию сигнала, означающего конец трансляции цистрона мРНК, выполняет один из 3 кодонов – УАА, УАГ и УГА. Эти триплеты не кодируют ни одной из 20 аминокислот («стоп-кодоны»). После завершения трансляции происходит отделение от рибосомы не только полипептидной цепи и тРНК, но и мРНК, и диссоциация 70S рибосомы на 50S и 30S субъединицы.
Помимо стоп-кодонов, в этих реакциях принимают участие различные белковые факторы освобождения, а также обе субъединицы рибосомы.
Вновь синтезированная полипептидная цепь отделяется от рибосомы, когда рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов. Со стоп-кодоном, поступившим на А-участок, в этом случае связывается не антикодон аа-тРНК, а особый белок – фактор освобождения. В результате его присоединения происходит изменение активности расположенного по соседству фермента пептидилтрансферазы. Измененный фермент присоединяет к пептидил-тРНК не свободную аминогруппу аминокислоты, а молекулу H2O. Это приводит к гидролизу сложноэфирной связи между С-концевым карбоксилом пептидила и 3'-рибозы ЦЦА последней донорной тРНК. В результате гидролиза полипептид, удерживаемый на рибосоме только посредством его связи с молекулой тРНК, отделяется от рибосомы. Это влечет за собой отделение от рибосомы последней донорной тРНК, освобождение мРНК и диссоциацию 70S рибосомы на ее 30S и 50S субъединицы.
Модификация полипептидной цепи
Заключительным этапом биосинтеза белка является модификация полипептидной цепи, вслед за которой белковая молекула приобретает свою окончательную структуру и конформацию, определяющую ее функциональные свойства.
Реакция модификации чаще всего сводится либо к отделению только формильной группы метионина (у бактерий), и тогда N-концевой аминокислотой становится метионин; либо к отделению метионина (у животных) или формила и метионина (у бактерий), и тогда N-концевой становится аминокислота, располагающаяся вслед за метионином (формилметионином). В реакции модификации участвуют специальные ферментные системы – пептиддеформилаза (отделяет формильную группу от формилметионина), аминопептидаза (отщепляет метионин) или другие ферменты.
Реакции модификации осуществляются уже после освобождения полипептидной цепи из рибосомы.
В связи с тем что у бактерий хромосомы и плазмидные ДНК располагаются в цитоплазме и не отграничены от нее никакими мембранами, процессы транскрипции, трансляции и деградации мРНК протекают одновременно, т. е. трансляция мРНК может начинаться раньше, чем завершится транскрипция, а деградация мРНК начинается раньше, чем закончится ее полная трансляция.
Определение скорости биосинтеза белка у бактерий, проведенное с помощью различных методов, показало, что она соответствует включению рибосомой в полипептидную цепь в 1 с при температуре 37 °C 15 – 30 аминокислот.
Это означает, что рибосома продвигается вдоль мРНК со скоростью 45 – 90 нуклеотидов в 1 с. Следовательно, время для выбора каждой очередной аа-тРНК из среды и включения ее в полипептидную цепь, т. е. время полного рабочего цикла рибосомы, составляет около 0,03 – 0,06 с. За этот короткий срок на рибосоме осуществляется серия сложных и взаимообусловленных событий, обеспечивающих высокую точность процесса трансляции. Все это говорит о существовании специфических и надежных систем регуляции биосинтеза белка на уровне не только транскрипции, но и трансляции.