1. Активация аминокислот, сочетание их с тРНК и перенос в рибосом.

 

Этот процесс идет в одну стадию, но для удобства и лучшего толкования его разбивают на два этапа.

 

а) Включение аминокислот - образование аминоациладенилатив.

 

Аминокислоты в цитоплазме находятся в неактивном состоянии. Они активируются с карбоксильной группой благодаря энергии АТФ, в присутствии солей Mg2 + с помощью специальных ферментов ами-ноацил-тРНК-синтетаз, обозначаются сокращенно АРСазы. Эти ферменты обеспечивают оба этапа процесса - активацию аминокислот и соединение их с тРНК. Каждый фермент оказывает двойное специфичность: до определенной аминокислоты и к соответствующей ей тРНК.

 

Сначала, в результате взаимодействия АТФ с аминокислотой, образуется соединен с ферментом промежуточный продукт - аминоациладе-нилат, т.е. смешанный ангидрид двух кислот: аминокислоты и АТФ. При этом СООН-группа аминокислоты соединяется ангидридных связью с 5-фосфатной группой АМФ с выделением пирофосфата и образованием макроэргических связей, энергия которого используется в дальнейшем для образования пептидной связи. Транспортные РНК - наиболее низкомолекулярные РНК, поли-нуклеотидный цепь их состоит в среднем из 75-90 нуклеотидов, М.М. = 23000-30000, они растворимы в воде, поэтому их еще обозначают S-РНК. На их долю приходится 10-20% суммарной РНК клеток. Их основная роль заключается в том, чтобы транспортировать аминокислоты к рибосом с последующим образованием полипептидной цепи, т.е. тРНК выполняет роль адаптора - своеобразного посредника между последовательностью нуклеотидов мРНК и последовательностью аминокислотных остатков в белковой молекуле, поскольку между кодонами мРНК и аминокислотами невозможны специфические взаимодействия по типу нуклеотидных пар (А. .. Т. Г. .. Ц). Каждая тРНК связывается с одной стороны комплементарно с мРНК, а с другой - с определенной аминокислотой. Разновидностей тРНК столько, сколько аминокислот, то есть каждая из 20 аминокислот имеет свою тРНК, а некоторые и больше. Например, существуют пять различных тРНК, которые переносят серин. Всего же в клетке присутствует около 60 разновидностей тРНК.

 

В настоящее время установлена нуклеотидная последовательность для многих тРНК. При их сравнении удалось обнаружить много общих черт, характерных для структуры тРНК. Во всех тРНК найдено, кроме четырех обычных рибонуклеотидов (А, Г, Ц, У), 8-19% минорных нуклеотидов. Обнаружено около 60 минорных оснований, среди которых - различные метилированных пиримидин (в том числе и тимин), аденин, гуанин и т.д., но Наиболее распространенными и универсальных среди них есть пес-вдоуридин и дигидроуридин. Молекулы тРНК представляют собой одиночный полинуклеотидной цепи, который образует сложную пространственную структуру. Для удобства раскрытия роли пространственной конформации тРНК в процессе биосинтеза белка его изображают в виде «листа клевера» (рис. 78, а).

 

«Листок клевера» содержит 4 спирализовани петли и 2 стебля:

 

- Стебель с 5 'конца во всех тРНК начинается остатком ГМФ;

 

- Дигидроуридинова петля, которая содержит несколько остатков дигид-роуридину (УН2) - обеспечивает присоединение тРНК к ферменту амино-ацил-тРНК-синтетазы;

 

- Антикодонова петля содержит специфический для каждой тРНК тринуклеотид, что называется «антикодон», ответственный за присоединение тРНК к мРНК. Антикодон - это три рядом расположенные пуриновые и пиримидиновые основания на тРНК, комплементарные кодона на мРНК;

 

- Дополнительная петля (ее функция мало изучена)

 

- Псевдоуридилова петля (туц) содержит необычный для РНК нуклеозид риботимидин (Т) и нуклеозид псевдоуридин (у), в котором азотистое основание и пентоза соединены необычным углерод-углеродной связью (см. выше). Предполагают, что именно благодаря этой петле тРНК взаимодействует с рибосомой;

 

- Акцепторный конец - полинуклеотидной цепи всех тРНК заканчивается одинаковым тринуклеотидом, состоящий из двух ци-тидилових кислот и одной аденилового кислоты со свободным 3'-ОН концом, к которому прикрепляется эфирной связью специфическая аминокислота. Реакцию катализирует то же фермент, и реакцию активации аминокислот - аминоацил-тРНК-синтетаза. АРСазы сегодня хорошо изучены, большинство из них получены в кристаллическом виде. Часть из них построена из одной полипептидной цепи (валинова, лейцинова, изолейцинова), другие состоят из двух, четырех и более одинаковых субъединиц (например, сериновых построена из двух субъединиц, а метиониновой - из четырех), а некоторые содержат различные по структуре субъединицы. Например, глицинова АРСаза состоит из четырех субъединиц, две из которых имеют молекулярную массу 33000, а две другие - 80000. АРСазам свойственна высокая специфичность относительно образования соответствующих аминоацил-тРНК. В молекуле указанного фермента две специфические участки (активные центры), благодаря которым он «узнает» «свою» аминокислоту и «свою» тРНК. Схематично это можно изобразить так (рис. 79). Процесс «узнавания» и присоединение АРСазамы аминокислоты и тРНК называют рекогнициею. Для каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белка, есть своя, причем единая аминоацил-тРНК-синтетаза, которая «узнает» все тРНК, специфичные для данной аминокислоты. Такой контроль позволяет уменьшить количество мутаций. Возможность мутации небольшая (1:10000). Академик В.А. Энгельгардт дал таким ферментам название кодаз, подчеркивая их роль в реализации генетического кода.

 

2. Процесс трансляции на рибосомах.

 

Процесс перевода нуклеотидной последовательности мРНК на аминокислотную получил название трансляции. Трансляция состоит из трех этапов: инициации (начало синтеза полипептидной цепи), элонгации (его продления) и терминации (завершения синтеза).

 

а) Инициация трансляции

 

Инициация - это одна из важнейших и сложнейших стадий процесса трансляции.

 

Если рибосома не сочетается с мРНК, она распадается на суб-частицы (в эукариот - 40S и 60S, у прокариот - 30S и 50S). Инициацию подробнее изучено в прокариот на примере кишечной палочки, но есть черты тождества и с эукариотами. Для инициации синтеза белка, кроме рибосом и разнообразит РНК, необходимы так называемые факторы инициации IF-1, IF-2 и IF-3 (белковые соединения), соли магния, ГТФ и инициаторным аминокислота, соединена с соответствующей тРНК. Инициаторным аминокислотой в прокариот является N-формил-тионин, а в эукариот - метионин. Для того, чтобы биосинтез полипеп-тидного цепи начался в направлении aNH2 ^ COOH, aN ^-группа. Правильное расположение тРНКфмет в полностью собранном инициирующего комплекса обеспечивается двумя точками узнавания и связывания. Во-первых, антикодон инициирующего тРНКфмет образует комплементарную пару с кодоном АУГ на мРНК. Во-вторых, тРНКфмет присоединяется к пептидильнои участка рибосомы. На рибосоме, как уже отмечалось выше, является два участка для присоединения аминоацил-тРНК: А-участок и П-участок. Обе они образованы благодаря специфическому строению зон 30S и 50S субчасты-нок. Инициирующая тРНКфмет может сочетаться только с П - участком, однако это является исключением, поскольку все остальные аминоацил-тРНК, которые поступают в рибосом, сочетаются с А-участком. П-участок предназначен для выхода «пустых» (т.е. освобожденных от аминокислот) тРНК и в ней закрепляется пептидил-тРНК (т.е. тРНК с полипептидных цепей), которая удлиняется.

 

В эукариот инициирующей (первой) также считается метионил-тРНК, однако, в отличие от таковой у прокариот, она не формулируется, а реагирует с факторами инициации eIF-1, eIF-2, eIF-3, с 40S-субъединицей рибосом и с мРНК . Реакции происходят по той же схеме, что и у прокариот. В митохондриях и хлоропластах синтез поли-пептидной цепи также имеет черты сходства с синтеза в прокариот: инициация осуществляется с помощью тРНКфмет.

 

б) Стадия элонгации процесса трансляции.

 

При завершении стадии инициации в П-участке находится иницию-юча тРНКфмет. При этом А-участок свободен, но в ней уже располагается следующий кодон мРНК. На первом этапе элонгации происходит поступление второй аминокислоты, например, тРНКфен до А-участка рибосомы и комплиментарное ее сочетание с кодоном мРНК (УУУ). В этом процессе принимают участие факторы элонгации и ГТФ. На втором этапе элонгации образуется пептидная связь в А-участке, где находится вторая аминоацил-тРНКфен. В А-участок П-участка передвигается остаток N-формилметионину от тРНКфмет, его переносит на аминогруппу фенилаланил-тРНКфен, и образуется первый пептидная связь. В этом процессе участвует фермент пептидилтрансфераза. При этом образуется дипеп-тидил-тРНКфен (^ формилметионил-фешлалашл-тРНКфен). Далее (третий этап) происходит процесс транслокации - перемещение рибосомы на один кодон относительно мРНК и дипептидил-тРНКфен. Вследствие этого перемещения дипептидил-тРНКфен попадает в зону пептидильного центра рибосомы, однако остается соединенной со вторым кодоном мРНК (УУУ), а тРНКфмет без N-формил-тионином выталкивается из рибосомы. При транслокации участвует позарибосомний белок - фактор элонгации - G, который называется транслоказою. Следующее продление полипептидной цепи происходит повторением этих этапов: присоединяется к А-участка третьей аминокислота, например, аланин в виде аланил-тРНКала, согласно третьему кодона (ГЦУ) на мРНК. Затем дипепты-дильний остаток с тРНКфен переносится на аминокислоту, соединенную с тРНКала, т.е. образуется вторая пептидная связь и трипептид ^ формилметионил-фешлалашл-алашл-тРНКала. Цикл элонгации повторяется многократно, то есть столько, сколько аминокислот входит в состав полипептидной цепи. Скорость элонгации велика: синтез полипептида из 150-200 аминокислот длится около 1-3 мин. Остаток первой аминокислоты N-формил-метионин, или формильна группа, или пептид, содержащий N-формил-метионин и находится с N-конца цепи, который продлевается, отщепляются при участии специфических ферментов еще во время элонгации (однако в некоторых белков сохраняются) . в) Стадия терминации

 

Элонгация завершается тогда, когда в А-участке появляется один из трех терминуючих триплетов: УАГ, УГА, УАА. Наличие их в любом участке мРНК обрывает белковый синтез. В зоне этих триплетов с участием факторов терминации происходит гидролитическое расщепление связи между полипептидом и последней тРНК. Высвобождается синтезированный белок, который покидает рибосому. При этом рибосома диссоциирует на субъединицы. Терминацию синтеза белка в эукариотических предопределяют те же триплеты.

 

На включение в полипептид каждой аминокислоты расходуется энергии 4 высокоэнергетических связей (для образования аа-тРНК необходима энергия 2-х высокоэнергетических связей АТФ, и гидролиз 2-х молекул ГТФ обеспечивает соединение аа-тРНК с кодоном и трансло-кацию). При образовании инициирующего комплекса рибосома присоединяется к 5'-концу мРНК, а в ходе трансляции передвигается в направлении 3'-конца. Как только высвобождается 5'-конец, к мРНК присоединяются новые рибосомы, на которых также начинается биосинтез полипептидов. На молекуле мРНК может располагаться от 3 до 80-100 рибосом, образуя полирибосомы. Чем длиннее молекула мРНК, тем длиннее полипептидная цепь закодированного белка, и тем большее количество рибосом в полирибосомы. Некоторые мРНК содержат информацию о нескольких белков - полицистронни мРНК. Каждый из белков закодирован в отдельном участке мРНК - цистрона, который имеет свои ини-циаторни и терминуючи триплеты. Образования пептидной связи (рис.80) осуществляется в следующей последовательности:

 

- В присутствии фермента разрывается макроэргических связь на ^ формилметионил-тРНКфмет;

 

- В освобожденный связи присоединяется Н от aN ^-группы фенил-ланил-тРНКфен;

 

- Карбонильный остаток N-формилметионину переходит к а-ми2-фенилаланил-тРНКфен - возникает первый пептидная связь с образованием в А-участке дипептид - N-формилметионил-фенил-аланил-тРНКфен;

 

- В процессе транслокации мРНК передвигается на один кодон;

 

- ТРНКфмет без инициирующего аминокислоты покидает рибосому. В А-ди-ный участок, освободившийся, поступает тРНКала, возникает второй пептидная связь и образуется трипептид состав N-формилметионил-фенилаланил-аланил-тРНК3 ™, который передвигается далее в П-участок, а ди лянка же освобождается и процесс повторяется;

 

- Рибосома достигает терминуючого триплета УГА и диссоциирует на 30S-и 50Б-субчастицы, при этом отделяется полипептидная цепь с заданным расположением остатков аминокислот.

 

Вторичная и третичная структуры белков формируются в процессе трансляции по мере удлинения полипептидной цепи. Трехмерной конформации белок окончательно приобретает уже после своего отделения.

 

3. Посттрансляционные изменения белков.

 

Результатом процесса трансляции не всегда образование функционально активного белка. Во многих случаях необходимы следующие трансформации (преобразования). Так, инсулин образуется из своего предшественника проинсулина путем ограниченного протеолиза с отщеплением от него пептида при участии ферментов-протеиназ в цитоплазме клетки. Большое количество неактивных проферменте (пепсиноген, трипсиноген и др.). Также активируются, превращаясь в активные ферменты путем частичного протеолиза. Ассоциация протомеры с образованием четвертичной структуры происходит уже после окончания синтеза полипептидов.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+