4.3. Трансляция белков
Трансляция или синтез белков происходит на рибосомах. Рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой. Основу каждой субъединицы рибосомы составляют специфически сложенные молекулы рРНК. К каркасу из рРНК присоединяются рибосомные белки.
Еще один вид РНК, участвующей в синтезе белка, это транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНК относительно небольшие (по сравнению с рибосомной или матричной РНК).
Все тРНК имеют общую вторичную структуру (рис. 4.17). За счет спаривания комплементарных участков молекулы тРНК образуется три "стебля" с петлями на концах и один "стебель", образованный 5'- и 3'-концами молекулы тРНК (иногда образуется еще дополнительная пятая петля).
Изображение этой структуры похоже на крест или клеверный лист. "Голова" на этом листе представлена антикодонной петлей, здесь находится антикодон – те три нуклеотида, которые комплементарно взаимодействуют с кодоном в мРНК. Противоположный антикодонной петле стебель, образованный концами молекулы, называется акцепторным стеблем – сюда присоединяется соответствующая аминокислота.
Распознают подходящие друг другу тРНК и аминокислоты специальные ферменты, называемые аминоацил-тРНК синтетазами. Для каждой аминокислоты есть своя аминоацил-тРНК синтетаза. В молекуле аминоацил-тРНК синтетазы имеется три различных субстрат-связывающих центра – два высоко специфичны в отношении тРНК и аминокислоты, третий – неспецифичный центр для АТФ.
Рисунок 4.17. Структура молекулы тРНК
Образовавшиеся аминоацил-тРНК переносятся к рибосомам, на которых осуществляется процесс полимеризации аминокислот с образованием пептидных связей.
Рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой (рис. 4.18). Основу каждой субъединицы рибосомы составляют специфически сложенные молекулы рРНК. К каркасу из рРНК присоединяются рибосомные белки.
Каждая рибосомная субчастица содержит одну молекулу высокополимерной рибосомной РНК, составляющую от половины до двух третей всей массы субчастицы. Соответственно большая субчастица содержит в два раза более длинную рибосомную РНК, чем малая субчастица рибосомы.
У бактерий это 23S РНК (около 3000 нуклеотидов) и 16S РНК (около 1500 нуклеотидов), а у животных 28S РНК (4700-4800 нуклеотидов) и 18S РНК (около 1900 нуклеотидов).
Рисунок 4.18. Пространственная организация рибосом
Помимо высокополимерной РНК большая рибосомная субчастица содержит одну или две молекулы относительно низкомолекулярных РНК - это 5S РНК в случае бактерий и других прокариот или 5S РНК и 5,8S РНК в случае эукариотических организмов. Указанные малые рибосомные РНК сопоставимы по размерам с рибосомными белками и вместе с ними располагаются на ядре высокополимерной рибосомной РНК как на каркасе.
Каждая субчастица состоит из нескольких десятков белков, каждый из которых специфическим образом уложен в субчастицу (рис. 4.19). Белки в рибосоме держатся на каркасе, состоящем из рибосомной РНК.
Формирование рибосомы начинается с того, что рибосомная РНК сворачивается и на нее в определенном порядке начинают налипать белки. В рибосомной РНК самокомплементарные участки нити РНК спариваются, образуя шпильки (вторичная структура), и затем РНК сворачивается (третичная структура РНК), образуя каркас субчастиц.
Константа седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге) рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), бактериальных клеток (а так же митохондрий и пластид) - 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).
Рибосомы впервые были описаны как уплотненные частицы, или гранулы, биологом румынского происхождения Джорджем Паладе в середине 1950-х годов. В 1974 г. Паладе, Клод и Кристиан Де Дюв получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине "за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки". Термин "рибосома" был предложен Ричардом Робертсом в 1958 вместо "рибонуклеобелковая частица микросомальной фракции".
На схеме (рис. 4.19) представлены основные этапы образования рибосом. 1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S - предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.
Рисунок 4.19. Схема образования рибосом
Трансляция - синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в мРНК. мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, когда происходит узнавание 3'-концом 16S рибосомной РНК комплементарной последовательности Шайн-Далгарно, расположенной на 5'-конце мРНК (у прокариот), а также позиционирование стартового кодона (как правило, AUG) мРНК на малой субъединице. Ассоциация малой и большой субъединиц происходит при связывании формилметионил-тРНК (fMET-тРНК) и участии факторов инициации (IF1, IF2 и IF3 у прокариот; их аналоги и дополнительные факторы участвуют в инициации трансляции у эукариотических рибосом). Таким образом, распознавание антикодона (в тРНК) происходит на малой субъединице
В рибосоме находится матричная РНК (мРНК). С кодоном мРНК комплементарно связан антикодон транспортной РНК, на которой висит остаток аминокислоты. На рисунке 4.20. видна такая структура.
Рисунок 4.20. Общая схема процесса трансляции
Трансляцию мРНК в полипептидную последовательность можно разделить на три этапа: инициация белковой цепи, элонгация и терминация.
Синтез белка на рибосоме начинается с инициирующего кодона метионина - AUG (реже GUG). Инициирующая тРНК метионина акцептирует остаток метионина, который затем трансформилируется. Образовавшаяся N-формилметионин-тРНК участвует в инициации полипептидной цепи. Так как аминогруппа инициирующего метионина заблокирована, наращивание полипептидной цепи может осуществляться только с С-конца.
Процесс инициации начинается с образования инициирующего комплекса, в который входит 30S-субъединица, мРНК, формил-метионил-тРНК и три специфических фактора инициации. Далее инициирующий комплекс взаимодействует с 50S-субъединицей и образуется функционально активная 70S-рибосома. Этот процесс сопровождается распадом ГТФ и высвобождением всех трех факторов инициации, ГДФ и неорганического фосфата.
В образовавшемся рибосомном функциональном комплексе имеется два участка связывания тРНКмет. Один из них – А-участок – аминоацильный, а другой – Р-участок (пептидильный), в котором располагается метионил-тРНКф. При этом мРНК своим метиониновым кодоном связана с антикодоном.
Процесс трансляции, также как и процесс транскрипции, связан с перемещением вдоль молекулы нуклеиновой кислоты, разница в том, что рибосома шагает на три нуклеотида, в то время как РНК-полимераза - на один. Процесс элонгации начинается с кодон-зависимого связывания аминоацил-тРНК с А-участком.
После ассоциации, fMET-тРНК оказывается в P (peptidyl-) центре рибосомы. Следующая тРНК, несущая на 3'-конце аминокислоту, и комплементарная второму кодону на мРНК, связывается с помощью фактора EF-Tu на А (аминоацил-) центре рибосомы. Затем, на большой субъединице, в пептидил-трансферазном центре рибосомы, образуется пептидная связь между формилметионином (связанным с тРНК, находящейся в Р-центре) и аминокислотой, находящейся в А-центре.
На этапе, названном этапом транспептидации, аминогруппа вновь пришедшей аминоацил-тРНК взаимодействует с этерифицированной карбоксильной группой формилметионин-тРНКмет. В результате образуется пептидная связь между аминоацил-тРНК и остатком формилметионина, который переносится с пептидильного участка в аминоацильный. На этом этапе происходит вытеснение использованной тРНК с Р-участка в раствор и перемещение мРНК, в результате которого очередной кодон устанавливается в А-участке. Реакция катализируется пептидилтрансферазой.
Рибосомы осуществляют трансляцию до тех пор, пока не достигнут терминирующих кодонов – UAA, UAG, UGA. Эти кодоны не имеют своей аминоацил-тРНК и на них трансляция прекращается.
Терминирующие кодоны узнаются факторами терминации, которыевзаимодействуют с рибосомой и индуцируют гидролиз сложноэфирной связи между тРНК и полипептидом молекулы пептидил-тРНК в пептидильном участке. В результате полипептидная цепь высвобождается из рибосомы.
Синтез белковых молекул идет непрерывно и с большой скоростью. Синтез одной молекулы белка длится 3-4 сек. В одну минуту образуется от 50 до 60 тысяч пептидных связей. Половина белков нашего тела обновляется за 80 дней. За всю свою жизнь человек обновляет свой белок около 200 раз.
Отражение структуры белков в виде триплетов ДНК называется кодом ДНК. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков. "Словарь" для перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется генетическим кодом (табл. 4.2.). Аминокислот - 20, нуклеотидов – 4, число комбинаций из 4 по 2 = 16, а аминокислот 20, поэтому кодировка не двух, а трехбуквенная, каждая тройка называется кодоном. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами в мРНК (которая, в свою очередь, кодируется ДНК).
В таблице на рисунке боковые столбцы кодируют левую и правую букву кодона, верхняя строка – среднюю. Например, кодон AUG кодирует аминокислоту метионин. Число комбинаций из 4 по 3 = 64, то есть некоторые аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Три кодона не кодируют никакую аминокислоту, они называются терминирующими.
Таблица генетического кода была составлена в 60-х годах. Начало положили Ниренберг и Маттеию. Они пытались производить в пробирке эксперименты на клеточных экстрактах, к которым были добавлены искусственные матрицы РНК. В то время считалось, что кодоны, состоящие из одного нуклеотида (UUU или ААА) не кодируют аминокислоты.
Ниренберг и Маттеи использовали полиU-РНК (то есть состоящую только из урацилов) в качестве контроля в своих опытах, но именно в этой пробирке прошла реакция. Стало ясно, что кодон UUU кодирует аминокислоту фенилаланин. Затем была составлена таблица генетического кода.
Таблица 4.2.
Генетический код
Генетический код обладает следующими основными свойствами:
1. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны ничем не отделены друг от друга.
2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.
3. Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).
4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.