Биосинтез белка
Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка – нить ДНК может содержать информацию о многих белках. Ген – это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК.
Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательно протекающих событий:
Репликация ДНК (в ядре клетки) транскрипция информационная РНК (в цитоплазме с помощью рибосом) трансляция белок
Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией. Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.
— Г — Ц — А — А — Ц — Т – фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК | | | | | | — Ц — Г — У — У — Г — А – фрагмент молекулы информационной РНК.
Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Молекула т-РНК состоит из 70–80 нуклеотидов. Общий вид молекулы напоминает лист клевера.
На «верхушке» листа расположен атикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Процесс сборки молекулы белка идет в рибосомах и называется трансляцией. На одной молекуле и-РНК последовательно располагаются несколько рибосом. В функциональном центре каждой рибосомы способны поместиться два триплета и-РНК. Кодовый триплет нуклеотидов – молекулы т-РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов и-РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислота отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка. Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК.
В сложнейшем процессе биосинтеза белка реализуются функции многих веществ и органоидов клетки.
Трапскрипция
Различают три этапа транскрипции: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация. Последовательность ДНК, транскрибирующаяся в одну иРНК, начинающаяся промотором на 5'-конце и заканчивающаяся терминатором на 3'-конце, является единицей транскрипции и соответствует современному понятию «ген». Контроль экспрессии генов может осуществляться на этапе инициации транскрипции. На этом этапе РНК-полимераза распознает промотор — фрагмент длиной 41-44 п.н. Транскрипция ДНК происходит в направлении 5'—3', или слева направо. Предполагается, что последовательность ТАТА контролирует выбор стартового нуклеотида, а ЦААТ — первичное связывание РНК-полимеразы с ДНК-матрицей.
Элонгация. Стадия элонгации иРНК имеет ряд аналогий с элонгацией ДНК. В качестве предшественников для нее необходимы рибонуклеозидтрифосфаты. Этап элонгации транскрипции, т.е. рост цепи иРНК, происходит путем присоединения рибонуклеозидмонофосфатов к 3'-концу цепи с одновременным освобождением пирофосфата. Копирование у эукариот обычно осуществляется на ограниченном участке ДНК (т.е. в пределах гена), хотя у прокариот в ряде случаев транскрипция может проходить последовательно через несколько сцепленных генов (цистронов), формирующих единый оперон, и с одного общего промотора. В таком случае образуется полицистронная иРНК.
Терминация. Транскрипция завершается в специфическом участке ДНК, содержащем терминирующую последовательность. В клетках Е. сoli выявлен особый белок (ро-фактор), повышающий точность терминации. Белок присоединяется к 5'-концу растущей иРНК и продвигается по ней, постепенно приближаясь к ДНК и как бы преследуя РНК-полимеразу. В момент, когда РНК-полимераза останавливается в сайте-терминаторе, фермент захватывается ро-фактором и сбрасывается с ДНК. Терминатор содержит особую последовательность оснований, прочитывающуюся одинаково в обеих цепях ДНК, но в противоположных направлениях. Например,
5' ЦЦА ТГГ 3'
3' ГГТ АЦЦ 5'
Собственно трансляция происходит в рибосомах и включает три стадии: 1. Инициация: образование инициирующего комплекса, который включает метионин-тРНКи (инициирующая), мРНК и рибосомальные белки. Комплекс состоит из 40S и 60S субъединиц, объединенных в 80S-рибосому. Целостная рибосома имеет аминоацильный (А-сайт) и пептидильный участок (Р-сайт). Первый отвечает за связывание аминоацил-тРНК, а второй – за связывание растущей полипептидной цепи. В состав инициирующего комплекса входит мРНК, которая на 5’-конце имеет 7-метилгуанозиновый «кэп». Начиная с кэпа, рибосома движется по мРНК и сканирует один кодон за другим, пока не наткнется на инициирующий (стартовый) кодон AUG. мРНК ориентируется таким образом, чтобы напротив пептидильного сайта рибосомы размещался инициирующий кодон AUG (кодирует метионин). Инициирующая метиониновая тРНК (мет-тРНКи) поставляет в рибосому первую аминокислоту – метионин, который становится N-концевой аминокислотой для большинства эукариотических белков (у прокариот это формилметионин). Для формирования инициирующего комплекса необходимо присутствие фактора eIF2 и более десяти других факторов инициации трансляции (eIF1, eIF3, eIF4, eIF6 и других). Роль факторов инициации различна. Так, фактор eIF3 препятствует объединению субъединиц рибосом в отсутствии мРНК; фактор eIF2 распознает инициирующую мет-тРНКи и поставляет энергию для инициации, расщепляя ГТФ; фактор eIF4A раскручивает мРНК и позволяет рибосоме двигаться по ней; фактор eIF4E распознает кэп. Благодаря взаимодействию между рРНК и мРНК последняя правильно фиксируется на рибосомных частицах, что способствует инициации. 2. Элонгация. Суть элонгации заключается в возникновении пептидных связей между остатками аминокислот с образованием полипептидной цепи, в которой последовательность аминокислот отвечает последовательности кодонов в мРНК. Элонгации нуждается в энергии ГТФ и факторах элонгации – EF1 и EF2. Элонгация начинается после того, как мет-тРНКи займет пептидильний центр рибосомы. В свободный аминоацильний сайт рибосомы могут поступать любые аминоацил-тРНК, но остается в нем лишь та, антикодон которой комплементарен кодону на мРНК. В результате метионил-тРНК и вторая аминоацил-тРНК сближаются между собой, а пептидилтрансфераза (точнее пептидилтрансферазный центр), катализирует образование пептидной связи между ними. Заметим, что пептидилтрансферазный центр есть рибозимом и образуется как рибосомальной РНК (28S рРНК), так и белками большой субъединицы рибосом. После образования пептидной связи со второй аминокислотой высвобождается мет тРНКи и происходит транслокация (перемещение) образованного дипептида (дипептидил-тРНК) из аминоацильного сайта в пептидильный. Процессу нужна энергия ГТФ и фактор элонгации ЕF2. В результате транслокации освобождается аминоацильний сайт, в который поступает новая аа-тРНК, антикодон которой комплементарен очередному кодону на мРНК, а пептидилтрансфераза наращивает цепь белка еще на одну аминокислоту по такой схеме: Пептидил-тРНК(1)+ аминоацил-тРНК(2) >тРНК(1)+ пептидиламиноацил- тРНК(2). Этот конвеер работает непрерывно до того момента, пока на мРНК не появятся терминирующие кодоны (UAA, UGA, UAG). 3.Терминация трансляции. Появление терминирующих кодонов на мРНК способствует завершению трансляции, поскольку этим кодонам не отвечает ни одна из аа-тРНК. С этими кодонами связываются факторы терминации (eRF1 и eRF2), которые стимулируют гидролазную активность пептидильного центра. От новообразованного пептида отщепляется тРНК, и он отделяется от пептидильного центра. Рибосома диссоциирует на две субъединицы, а мРНК гидролизуется на свободные мононуклеотиды. Полисомы (полирибосомы). В трансляции мРНК могут принимать участие несколько рибосом. Как только первая рибосома покидает инициирующий кодон на мРНК, он становится доступным для другой рибосомы и т.д. Поэтому на одну цепь мРНК может быть нанизано 5- 6 рибосом. Конвеерный характер трансляции существенно повышает скорость синтеза белка. Ингибиторы трансляции у прокариот: стрептомицин блокирует стадию инициации; тетрациклин - связывание аминоацил-тРНК с рибосомами, хлорамфеникол - пептидилтрансферазную активность, эритромицин - процесс транслокации. Циклогексимид тормозит пептидилтрансферазную активность у эукариот, а пуромицин конкурирует с аминоацил-тРНК за аминоацильний сайт рибосомы. Ингибитором трансляции является дифтерийный токсин. А-фрагмент токсина имеет активность АДФ-рибозилтрансферазы и переносит АДФ-рибозу с НАД на фактор элонгации eEF2, инактивируя его. Интерфероны – белки, которые продуцируются лимфоцитами при заражении организма вирусами, активируют протеинкиназы, фосфорилирующие фактор инициации eIF2 и инактивируют его. Блокируется синтез вирусных и клеточных белков, наступает гибель инфицированных клеток, чем предупреждается распространение вируса. 4 Нематричный синтез полипептидов. В клетке может происходить синтез полипептидов и без участия мРНК и рибосом. Он осуществляется двумя путями. Первый: синтез из аминокислот при участии мультиферментных комплексов. Так синтезируется глутатион, пептидная часть пептидогликанов бактериальной стенки, антибиотик грамицидин, рилизинг-факторы гипоталамуса и другие небольшие пептиды. Второй: нарезание пептидов из более длинной полипептидной цепи специальными протеазами. Так из белка-предшественника проопиомеланокортина синтезируются липотропины, меланоцитстимулирующий гормон, кортикотропин, эндорфины и энкефалины.