4. Біосинтез білка. Будова рибосом.
Біосинтез білка полягає в перекладі (трансляції) послідовності нуклеотидів у складі молекул іРНК у послідовність амінокислот поліпептидних ланцюгів. Цей переклад здійснюють «фабрики» збірки білка – рибосоми, які, просуваючись по нитці іРНК, будують поліпептидний ланцюг у відповідності з генетичним кодом.
Рибосома – рибонуклеопротеїновий комплекс, який складається з двох субодиниць. Маленька субодиниця прокаріотичної рибосоми містить одну молекулу рРНК 16S (компоненти рибосоми прийнято позначати їхніми коефіцієнтами седиментації у сведбергах – S) і 21 молекулу рибосомних білків. Велика субодиниця містить дві молекули рРНК (23S і 5S) і білки 36 типів. Еукаріотична рибосома містить трохи більшу рРНК 18S замість 16S, дві рРНК (28S і 5,8S), замість 23S, рРНК 5S і більшу кількість білків. Структура обох рибосом і принципи їхньої роботи подібні.
Синтез еукаріотичних рРНК 18S, 5,8S і 28S здійснюється в ядерці, яке формується на тандемних повторах кластера відповідних генів рРНК (кластер повторюється від 100 до 1000 разів у різних видів).
Первинний продукт транскрипції містить три фрагменти майбутніх рРНК, розділені спейсерами, цей кластер транскрибується як одне ціле. Гени рРНК ще одного типу – 5S також тандемно повторюються в іншому місці геному, звідки рРНК 5S транспортуються до ядерця, куди потрапляють також і рибосомні білки, і де відбувається збирання рибосомних субодиниць. Первинний продукт транскрипції прокаріотичних генів рРНК містить ділянки, які відповідають усім трьом прокаріотичним рРНК, а також кілька майбутніх тРНК. Часткова деградація транскрипту приводить до утворення зрілих молекул, які взаємодіють із рибосомними білками, формуючи дві субодиниці рибосоми. Остаточне збирання рибосоми з двох субодиниць, як у про-, так і в еукаріотів, відбувається під час ініціації трансляції.
Рибосомні РНК становлять близько 2/3 маси рибосоми й саме вони визначають її структуру та функції. Полінуклеотидний ланцюг рРНК утворює велику кількість подвійних спіралей, які укладаються в складну просторову структуру. Рибосомні білки розташовані на поверхні рРНК (і, відповідно, на поверхні рибосоми), стабілізуючи її функціонально активну просторову організацію.
Весь процес біосинтезу білка поділяють на чотири фази:
а)активація амінокислот;
б)ініціація синтезу поліпептидного ланцюга;
в)елонгація (подовження) поліпептидного ланцюга;
г)термінація (закінчення) синтезу.
В процесі трансляції рибосомою використовуються лише активовані (тобто зв’язані з відповідними тРНК) форми амінокислот. Приєднання аміноацильного залишка до 3'-кінця (ЦЦА-кінця) специфічної тРНК і утворення аміноацил~тРНК (аа-тРНК) здійснюється ферментом аміноацил~тРНК-синтетазою за наявності АТФ і Мg2+. Для кожної амінокислоти існує принаймні одна специфічна аміноацил~тРНК-синтетаза, яка може взаємодіяти з усіма ізоакцепторними тРНК.
Під час роботи рибосоми її маленька субодиниця взаємодіє з мРНК. Сумісно двома субодиницями утворюються сайти зв’язування для трьох молекул тРНК: А-сайт – у ньому відбувається зв’язування аа-тРНК; Р-сайт . тут із рибосомою взаємодіє пептидилтРНК (тРНК, до якої приєднаний пептидил . ланцюг, що синтезується); Е-сайт (від exit) – куди потрапляє деаміноацильована тРНК перед її звільненням із рибосоми.
Рис. Схема трансляції поліпептиду (За: Рушковський, 2010).
Зчитування інформації з мРНК здійснюється рибосомою в напрямку від 5’- до 3’-кінця, поліпептидний ланцюг синтезується від N- до С-кінця. Процес трансляції розпочинається зі стадії ініціації, коли рибосомою розпізнається стартовий кодон, що задає початок і рамку зчитування інформації. На нього та в Р-сайт рибосоми одночасно завантажується ініціаторна аа-тРНК. Ефективність здійснення цих операцій забезпечується набором певних білкових факторів ініціації.
Стартовим кодоном є здебільшого метіоніновий кодон AUG, відповідно, ініціаторною є завжди Met-тРНКіMet (індекс "і" вказує на те, що це саме ініціаторна метіонінова тРНК, тобто вона відрізняється за своєю структурою від звичайної тРНКMet, яка використовується для включення Met усередині ланцюга). Отже, першою амінокислотою завжди виступає метіонін (як правило, відщеплюється посттрансляційно).
Далі робота рибосоми під час елонгації трансляції полягає в послідовному (потриплетно) зчитуванні інформації з мРНК і відповідному приєднанні амінокислот до поліпептидного ланцюга. Кожен такий крок складається з трьох операцій, що циклічно повторюються (елонгаційний цикл). Цикл розпочинається зі зв'язування аа-тРНК з А-сайтом. Рибосома забезпечує високу специфічність щодо взаємодій між кодоном і антикодоном – тільки споріднена до даного кодона тРНК відбирається системою. Процес розміщення аа-тРНК в А-сайті часто супроводжується дисоціацією з Е-сайта деаміноацильованої тРНК, яка залишилася там із попереднього циклу.
Наслідком зв’язування є транспептидація – перенесення пептидилу з пептидил-тРНК на амінокислоту у складі аа-тРНК. Каталітичний активний центр, що забезпечує транспептидацію, розташований на великій субодиниці рибосоми й формується виключно рибосомною РНК. Унаслідок транспептидації в А-сайті опиняється пептидил-тРНК із подовженим на одну амінокислоту пептидилом, у Р-сайті . деаміноацильована тРНК.
Третя операція – транслокація – полягає в переміщенні рибосоми на один кодон уздовж мРНК (молекули тРНК залишаються зв’язаними зі своїми кодонами), після чого розпочинається наступний елонгаційний цикл. Ефективніть і швидкість здійснення елонгаційного циклу залежить від двох білкових факторів елонгації.
Коли після чергового елонгаційного циклу (який стане останнім) в А-сайті опиняється один із трьох стоп-кодонів, він розпізнається факторами термінації трансляції – жодна тРНК не містить відповідних антикодонів. Фактори термінації забезпечують звільнення синтезованого амінокислотного ланцюга та підготовку рибосоми до нового циклу трансляції: дисоціацію субодиниць рибосоми одна від одної та від мРНК.