Биосинтез белка

 

 

1. Строение рибосомы

2. Свойства генетического кода

3. Этапы синтеза белка, необходимые факторы и их роль

 

В соответствии с основным постулатом молекулярной биологии синтез белков включает три процесса. Транскрипция — синтез ин­формационной (матричной) РНК на ДНК-матрицена основе комплементарности. Это переписывание генетической информации с ДНК на РНК. В молекуле мРНК записана информация о последо­вательности аминокислот в первичной структуре белка с помощью триплетного нуклеотидного кода. У эукариот процесс идет в ядре.

Трансляция — перевод генетической информации мРНК, записан­ной с помощью четырех нуклеотидов, в первичную структуру белка (полипептид), записанную с помощью 20 аминокислот. Процесс идет в рибосомах. Для осуществления перевода нуклеотидного кода в аминокислотную последовательность существуют специальные молекулы-адаптеры. Роль адаптеров выполняют тРНК: с одного конца молекулы — аминокислота (З'-конец тРНК), а с другого — антикодон, т.е. триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК. В результате транскрипции и трансляции генетическая информация ДНК реализуется в виде первичной структуры белка.

Посттрансля­ционная модификация белков осуществляется в цитозоле, аппарате Гольджи и других местах клетки за счет специфического взаимодей­ствия радикалов аминокислот первичной структуры и других моле­кул. При этом формируется нативная структура белка.

Рибосомы. Внутриклеточный компонент, в котором осуществ­ляется процесс трансляции, называется рибосомой. Множество рибосом могут одновременно транслировать одну и ту же цепь мРНК, образуя так называемые полирибосомы (полисомы). Шерохо­ватый эндоплазматический ретикулум — это компартмент клетки, в котором мембрансвязанные полисомы продуцируют как мембран­ные белки, так и белки, подлежащие экскреции и транспорту. Полирибосомные структуры присутствуют и в свободной форме — в ци­тозоле, где они синтезируют внутриклеточные белки. Рибосомы — это субклеточные частицы, состоящие из рРНК и белков. По констан­те седиментации различают 70S-рибосомы прокариот и 80S-рибосомы эукариот. Соотношение рРНК и белков у 70S-рибосом — 2:1, а у 80S-рибосом — 1:1. Рибосомные РНК синтезируются в ядрышке в виде предшественника 45S-рРНК, который затем расщепляется эндонуклеазами на рРНК нужной длины. Рибосомные белки образу­ются в цитоплазме и переносятся в ядрышко. Здесь спонтанно образуются рибосомные субъединицы путем объединения белков с соответствующими рРНК. Возникшие большая (50S — у прокариот и 60S — у эукариот) и малая (30S — у прокариот и 40S — у эукариот) субъединицы рибосом через поры ядерной оболочки переносятся в цитозоль. Большая субъединица рибосом эукариотической клетки содержит 41 белок, 5S-, 5,8S- и 28S-pPHK; малая — 30 белков и 18S-рРНК. В микробной клетке количество рибосом равно 10 000, а в эу­кариотической — достигает 100 000. Согласно представлениям Дж. Уотсона, существует «рибосомный цикл»: в начале синтеза полипептидной цепи субъединицы рибосомы объединяются в функцио­нирующую рибосому на мРНК для осуществления трансляции, а в конце синтеза диссоциируют.

Генетический код. Информация о последовательности амино­кислот в полипептидной цепи записана на мРНК в виде трехбуквен­ного нуклеотидного кода.

Основные свойства кода: триплетность — каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов, называемой кодоном; вырожденность — одну и ту же аминокислоту может ко­дировать несколько кодонов, причем важнейшую роль играют дня первых нуклеотида триплета; однозначность — каждому триплету соответствует только одна аминокислота; неперекрываемость — кодоны считываются один за другим не перекрываясь; универсальность — соответствие аминокислот триплетному коду у всех живых организмон (в последние годы показано, что в митохондриях различных клеток четыре кодона считываются иначе, чем постулировано принципом универсальности).

Среди 64 триплетов мРНК выделяют три типа:

1) инициирующие — АУГ и ГУГ (кодируют включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот), определяют стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы; 2) смысловые кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептиднуш цепь; 3) терминирующие — не кодируют включение аминокислот, это нонсенс-кодоны, которые определяют завершение (терминацию) синтеза полипептидной цепи.

Этапы синтеза белка и необходимые факторы. По А. Ленинджеру, выделяют пять этапов синтеза белковой молекулы: 1) активация аминокислот с образованием аминоацил-тРНК; 2) инициации полипептидной цепи; 3) элонгация полипептидной цепи; 4) терминация полипептидной цепи и освобождение; 5) сворачивание полипептидной цепи и процессинг (созревание).

Белоксинтезирующая система клетки должна иметь:

1) матрицу мРНК, на которой записана информация о последовательности аминокислотных остатков в синтезируемой полипептидной цепи,

2) рибосомы — субклеточные частицы, осуществляющие ферментативный синтез полипептидной цепи по матрице мРНК (точнее — полирибосома, являющаяся комплексом мРНК и рибосом);

3) набор всех типов аминоацил-тРНК. (набор молекул-адаптеров); различные регуляторные и вспомогательные факторы белковой природы;

4)АТФ, ГТФ, ионы магния и др.

Трансляция молекул мРНК начи­няется с 5'-конца с образованием N- конца растущей полипептидной цепи. Информация считывается в направлении 5' —> 3' и заканчива­ется образованием С-конца белковой молекулы. Транскрипция гена в соответствующую мРНК начинается с образования 5'-конца моле­кулы мРНК. У прокариот это позволяет начать трансляцию мРНК еще до завершения транскрипции. У эукариот процесс транскрип­ции происходит в ядре, а трансляции мРНК — в цитоплазме. Такая компартментализация процессов исключает одновременное проте­кание транскрипции и трансляции и делает неизбежным процессинг предшественников мРНК — гяРНК.

Активация аминокислот. В цитоплазме клеток 20 различных аминокислот присоединяются эфирной связью к соответствующей т-РHK с образованием аминоацил-тРНК. Этот процесс катализируется высокоспецифичными аминоацил-тРНК-синтетазами:

амино­кислота + тРНК + АТФ -> аминоацил-тРНК + АМФ + РРн.

Многие аминоацил-тРНК-синтетазы способны исправлять ошибки при присоединении близких по структуре аминокислот. Например, при включении валина вместо изолейцина (различие на одну метиленовую группу) фермент способен распознать ошибку, когда аминокислота поступает в активный центр, и гидролитически отщепить неправильную аминокислоту. Именно поэтому в этих ферментах выделяют четыре важных для катализа места связывания: для аминокислоты, тРНК, АТФ и для воды (гидролиз «неправильных» аминоацил-тРНК).

Инициация полипептидной цепи. Для инициации полипетидной цепи в клетках прокариот необходимы: мРНК, инициирующая аминоацил-тРНК, малая и большая субъединицы рибосом. Они собираются в работающий ансамбль с помощью трех белков (факторы инициации) IF-1, IF-2, IF-3, ионов магния и ГТФ. Инициирующая аминоацил-тРНК у прокариот представлена формилметионин-тРНК, а у эукариот — метионин-тРНК. Стадия инициации начина­ется с присоединения IF-3 к малой субъединице рибосомы. Этот фактор обеспечивает узнавание на мРНК участка для присоединения инициирующей тРНК, т.е. инициирующего кодона (АУГ, ГУГ). В это же время инициирующая формилметионин-тРНК связывается с IF-2 и ГТФ. Затем оба комплекса взаимодействуют и образуется инициирующий комплекс, который связывается с мРНК. Это связы­вание происходит с помощью фактора IF-1, который способствует соединению мРНК с инициирующим комплексом, состоящим из малой субъединицы, формилметионин-тРНК, IF-2, IF-3, ГТФ. Бел­ковый фактор IF-2 способствует соединению большой и малой субъ­единиц рибосомы. После присоединения большой субъединицы вы­свобождаются все инициирующие факторы, ГДФ и неорганический фосфат, т.е. процесс идет с затратой энергии. Смысл всех этих операций заключается в том, что мРНК соединяется с инициирую­щей (формил)метионин-тРНК в рибосоме единственно возможным способом, определяющим точное положение рамки считывания кодонов мРНК на инициирующем кодоне.

В работающей рибосоме есть два участка связывания транспортных РНК (тРНК): А-участок (аминоацильный), имеющий сродство к аминоацил-тРНК, и Р-участок (пептидильный), имеющий сродство к пептидил-тРНК. В кон­це стадии инициации инициирующая (формил)метионин-тРНК на­ходится в Р-участке собранной рибосомы и соединена водородными связями с инициирующим кодоном мРНК. В А-участке находится следующий кодон мРНК.

Элонгация полипептидчой цепи. Для осуществления элонгации необходимы: набор аминоацил-тРНК, ГТФ, ионы магния, факторы элонгации — EF-T и EF-g. Она начинается с присоединения аминоацил-тРНК к следующему за инициирующим кодону мРНК в А-уча­стке рибосомы. Каждое присоединение аминоацил-тРНК требует затраты молекулы ГТФ и происходит при участии EF-T. Между ко­доном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК замыкаются во­дородные связи. Когда два аминокислотных остатка оказываются рядом, между ними образуется водородная связь. Процесс катали­зируется рибосомным ферментом пептидилтрансферазой и исполь­зует энергию макроэргической связи аминоацил-тРНК. Образовав­шийся дипептид силами гидрофобного взаимодействия радикалом связан с Р-участком. В то же время он связан с тРНК, находящейся в А-участке и связанной с кодоном мРНК. Сродства к А-участку эта пептидил-тРНК не имеет. При участии EF-g и за счет энергии ГТФ происходит перемещение пептидил-тРНК в Р-участок, а вместе с ней и кодона мРНК, так как они связаны водородными связями. Фактор EF-g считают ГТФазой. Такое перемещение называют транс­локацией. (Формил)метионин-тРНК при этом высвобождается из рибосомы. В результате транслокации в А-участок рибосомы прихо­дит новый кодон мРНК. К нему методом случайного подбора присо­единяется комплементарным антикодоном новая аминоацил-тРНК. Между дипептидом Р-участка и аминокислотным остатком в А-уча­стке замыкается пептидная связь. Возникший трипептид транслоцируется в Р-участок, а в А-участок приходит следующий новый ко­дон мРНК и т.д. Таким образом, происходит многократное по­вторение этапов элонгации, пока в А-участок не придет один из терминирующих кодонов.

Терминация полипептидной цепи. Необходимые факторы: FR-1 воспринимает триплеты УАА и УАГ; FR-2 воспринимает УАА и УГА; ГТФ. Терминирующие кодоны (бессмысленные, нонсенс-кодоны) не имеют для себя аминоацил-тРНК. Кодоны, поступив в А-участок, воспринимаются факторами FR-1 или FR-2, которые индуцируют пептидилэстеразную активность, вследствие чего отщепляется син­тезировавшийся полипептид. Весь комплекс трансляции диссоциирует на составные части.

В цитоплазме клеток прокариот с помо­щью фермента деформилазы происходит отщепление формильной группы от N-концевого формилметионина синтезированного полипептида; часто после завершения синтеза в цитоплазме клеток от­щепляется N-концевой метионин от синтезированного полипептида (у прокариот и эукариот). На основе взаимодействия радикалов ами­нокислотных остатков полипептидной цепи спонтанно формируют­ся вторичная, третичная, а у олигомерных белков и четвертичная структуры.

Посттрансляционная модификация белка включает следующие процессы: химическую модификацию белка (часто отсутствует) — метилирование по аминогруппе лизина и аргинина, фосфорилирование по ОН-группе серина, окисление лизина, пролина и др.; связывание простетической группы; связывание между собой субъединиц олигомерного белка; частичный протеолиз.

Например, посттрансляционная модификация при биосинтезе гликопротеинов происходит следующим образом. Полисомы связаны с внешней по­верхностью мембраны эндоплазматического ретикулума клеток через большую субъединицу рибосомы. Синтезированные полипептидные цепи проходят через мембрану шероховатого эндоплазмати-ческого ретикулума в цистерны и переносятся в гладкий эндоплазматический ретикулум и в комплекс Гольджи. Здесь с помощью гликозилтрансфераз происходит присоединение моносахаридных моле­кул к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов.

Регуляция биосинтеза белков. В настоящее время считают, что регуляции подвержены все или почти все этапы биосинтеза белков. Например, метаболиты и гормоны могут изменять сродство белков-репрессоров к регуляторным отделам ДНК; гормоны способны мо­дифицировать активность метилаз, участвующих в биосинтезе рРНК; новообразованные белки способны активировать рибонуклеазы и тем самым ускорять распад своих мРНК и т.п.

Согласно теории Жакоба и Моно, в биосинтезе белков у бактерий участвуют три типа генов: структурные гены, ген-оператор и ген-регулятор. Структур­ные гены определяют первичную структуру белков. Функционирова­ние структурных генов контролируется геном-оператором (локали­зован между промотором и структурными генами). Формирование мРНК начинается с промотора и далее распространяется вдоль опе­ратора и контролируемых им структурных генов. Оператор и струк­турные гены называют опероном. Деятельность оперона контроли­руется геном-регулятором. Оперон и ген-регулятор находятся в раз­ных участках цепи ДНК, поэтому связь между ними осуществляется с помощью белка-репрессора, синтезируемого по информации гена-регулятора. Если репрессор связан с геном-оператором, то РНК-полимераза не может синтезировать мРНК, а следовательно, не синте­зируются и белки. Если ген-оператор свободен, процесс транскрип­ции возможен и информация структурных генов используется для синтеза белков.

Рассмотрим превращения:

Е' Е² Е³