98. Трансляция – биосинтез белков: основные этапы функционирования белоксинтезирующей системы: активация аминокислот – синтез аминоацил-тРнк: инициация, элонгация, терминация.
Синтез белка в клетке состоит из двух этапов: рекогниции и собственно синтеза полипептида на рибосоме. Ключевым субстратом рекогниции является транспортная РНК.
Рекогниция - это подготовительный этап трансляции с образованием ковалентной связи между тРНК и соответствующей аминокислотой. Состоит из двух стадий: 1. Активирование аминокислоты. 2. Присоединение аминокислоты к тРНК - аминоацилирование. Обе стадии рекогниции осуществляются ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой (APC-азой, кодазой). Существует 20 вариантов кодаз (по числу аминокислот).
Синтез полипептидов, происходит на рибосомах. Рибосомы - немембранные самые мелкие клеточные органеллы.
Каталитические центры рибосом.
А
сп
- центр специфического узнавания. Здесь
происходит взаимодействие кодон-антикодон.
Р-центр - пептидильный, донорный. Он является донором формилметионина при инициации, или пептидила при элонгации трансляции.
А-центр - аминоацильный, акцепторный. Акцептирует формилметионин в самом начале или пептидил при элонгации трансляции.
К-центр - каталитический (фермент пептидилтрансфераза).
Полирибосомы. По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно. Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы.
Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи.
Биосинтез белков включает 5 ключевых элементов:
матрица – матричная РНК
растущая цепь – полипептид
субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот
источник энергии – ГТФ
ферменты – рибосомальные белки и рРНК
Этапы биосинтеза белка на рибосоме:
Инициация.
Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.
В начале этой стадии формируются два тройных комплекса:
первый – мРНК, малая субъединица, ИФ-3;
второй – мет-тРНК, ИФ-2, ГТФ.
После их объединения и присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.
Элонгация.
Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ.
Элонгация представляет собой циклический процесс, повторяющийся столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.
Терминация.
Синтез белка будет продолжаться до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. Кроме стоп-кодонов для окончания синтеза белка требуются ГТФ и белковые факторы терминации, которые последовательно катализируют
Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
Отделение от П-участка последней, уже пустой, тРНК
Диссоциацию рибосомы.
Механизм трансляции.
У прокариот перед каждым геном и соответственно в мРНК перед копией каждого гена имеется лидерная последовательность. Она может быть разного размера (до 160 нукл.) и разной первичной структуры, но обязательно содержит полипуриновую последовательность Шайна-Дальгарно, которая комплементарна 3'-концевому участку 16S rРНК. Комплементарными могут быть 3-9 нуклеотидов. Назначение комплементарного взаимодействия 3'-концевого участка 16S rРНК и последовательности Шайна-Дальгарно - правильная установка инициирующего кодона AUG на малой субъединице рибосомы. Инициирующий кодон находится на растоянии 3-10 нукл. от последовательности Шайна-Дальгарно.
К малой субъединице, на которой уже находится мРНК, подходит формилметиониновая тРНК, соединенная с формилметионином. В результате образуется инициаторный комплекс: 30S субъединица рибосомы + мРНК + формилметионовая тРНК-формилметионин.
Затем происходит ассоциация рибосомы. При этом изменяется конформация 16S rРНК и нарушается связь между ней и последовательностью Шайна-Дальгарно. Аминоацильный конец формилметиониновой tРНК оказывается в Р-центре. Второй кодон гена оказывается в Асп-центре. Соответствующая ему аминоацил-tРНК устанавливается таким образом, что ее аминоацильный конец попадает в А-центр. Пептидилтрансфераза отрывает формилметионин в Р-центре и переносит его в А-центр. Образуется пептидная связь между формилметионином и аминоацил-тРНК. Рибосома претерпевает конформационные изменения и сдвигается на один кодон. Формилметиониновая тРНК покидает рибосому.
Второй кодон оказывается напротив Р-центра. Сюда же переходит тРНК, несущая на хвосте дипептид. В Асп-центр попадает третий кодон, а в А-центр очередная аминоацил-тРНК. Теперь в Р-центре отрывается дипептид, переносится в А-центр и соединяется с третьей аминоацил-тРНК.
Так продолжается до тех пор, пока в Асп-центр не приходит терминирующий кодон. Полипептид отрывается в Р-центре, переносится в А-центр и, т.к. присоединиться ему не к чему, он отваливается от рибосомы. Рибосома диссоциирует и малая субъединица сканирует мРНК.
(In vivo на каждой стадии (образования инициаторного комплекса, инициации, элонгации и терминации) участвуют различные белковые факторы, которые препятствуют посадке на рибосому деацилированных tРНК или запрещают посадку формилметиониновой-тРНК в А-центр. На всех этапах принимают участие молекулы 6 ГТФ, которые дефосфорилируются. Смысл гидролиза ГТФ не в отдаче энергии, а в свидетельстве того, что данный этап трансляции пройден)
Инициация. Элонгация. Терминация.