Трансляция

Трансляция

Трансляция (биосинтез белка) – этап реализации генатической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков.

Условия трансляции:

1. мРНК

2. тРНК

3. рРНК (в комплексе с белками образует рибосомы)

4. белковые факторы транскрипции

5. АТФ, ГТФ

6. Mg2+

Перевод информации закодированной в ДНК на язык аминокислот осуществляется в соответствии с правилами генетического кода.

Генетический код – система записи генетической информации, выраженная в последовательности нуклеотидов мРНК.

Свойства кода:

1. Триплетность. Три последовательно расположенных нуклеотида (триплет, кодон) кодируют включение одной аминокислоты в полипептидную цепь белка. Число возможных триплетных комбинаций составляет 64. 61 триплет используется для обозначения 20 аминокислот, остальные три являются стоп-кодонами, или теминирующими кодонами (УАА, УГА, УАГ).

2. Непрерывность. В процессе синтеза белка последовательность мРНК считывается последовательно группами по три нуклеотида (код не содержит «запятых»).

3. Вырожденность. 20 аминокислот, входящие в состав белков, кодируются 61 кодоном. Почти каждой аминокислоте (кроме метионина и триптофана) соответствует несколько кодонов-синонимов. Соответственно аминокислоты метионин и триптофан встречаются в белках значительно реже других аминокислот. Т.о. для каждой аминокислоты существует более одной тРНК (изоакцепторные тРНК). В трехбуквенном генетическом коде наиболее важны первые две буквы, тогда как третья буква часто бывает разной (вырожденность третьего основания).

4. Универсальность. Генетический код практически всегда одинаков у всех живых организмов – от бактерий до человека. Небольшие отличия имеются в генетическом коде митохондрий и хлоропластов.

Активация аминокислот

Перед началом трансляции синтезированные в результате разнообразных биохимических реакций или полученные с пищей протеиногенные аминокислоты должны пройти стадию активации и присоединиться к тРНК, осуществляющими их доставку к рибосомам. Аминокислоты присоединяются к 3׳-концу тРНК. В результате присоединения аминокислоты к тРНК образуется аминоацил-тРНК. Для каждой аминокислоты существует свой фермент аминоацил-тРНК-синтетаза, присоединяющий ее к соответствующей тРНК. Процесс активации аминокислот происходит в два этапа: сначала к аминокислоте присоединяется молекула АТФ, с образованием аминоациладенилата, а потом происходит перенос аминокислоты на тРНК. После образования аминоацил-тРНК эти молекулы направляются к рибосомам – рибонуклеопротеиновым частицам, специально приспособленным к ׳биосинтезу полипептидных цепей белков.

Рибосомы

Рибосомы состоят из рРНК и белка. Прокариотические рибосомы имеют коэффициент седиментации 70S, а эукариотические 80S. Каждая рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Основу (каркас) рибосомы составляет рРНК. В состав малой субъединицы рибосом прокариот входит 16S рРНК и 21 белок, в состав малой субъединицы рибосом эукариот - 18S рРНК и около 35 белков. В состав большой субъединицы рибосом прокариот входят 23S рРНК, 5S рРНК и 34 белка, в состав большой субъединицы рибосом эукариот входят 28S рРНК, 5,8S рРНК, 5S рРНК и около 50 белков. Рибосомы имеют очень сложную пространственную организацию.

У рибосом имеются несколько функционально активных центров:

1. Центр связывания мРНК (М-центр). Образован участком 18S рРНК (5-9 н.п.), комплементарный фрагменту 5׳-концу мРНК.

2. Пептидильный центр (Р-центр). С Р-центром в начале процесса связывается инициаторная аминоацил-тРНК (формилметиониновая тРНК у прокариот и метиониновая тРНК у эукариот). На последующих стадиях в Р-центре находится пептидил-тРНК.

3. Аминоацильный центр (А-центр) является местом связывания очередной аминоацил-тРНК.

4. Пептидил-трансферазный центр (ПТФ) является местом образования пептидной связи (СО-NH). Локализован в большой субъединице.

Процесс трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Инициация. Процесс прочтения (трансляции) мРНК стартует с определенного ее участка, где начинается кодирующая (транслируемая) последовательность нуклеотидов. Для обеспечения начала (инициации) трансляции необходим инициирующий (стартовый) кодон мРНК (это кодон АУГ), инициаторная аминоацил-тРНК и белковые факторы инициации.

Инициация белкового синтеза состоит из нескольких стадий и требует присутствия белковых факторов инициации (IF). Инициация приводит к формированию инициаторного комплекса, состояцего из рибосомы, мРНК и инициаторной формилметионин-тРНК. У бактерий существуют три фактора инициации: IF1, IF2, и IF3 (у эукариот их значительно больше – eIF1, eIF2, eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF5 и др.). Фактор IF2 обладает ГТФазной активностью и играет центральную роль в связывании инициаторной аминоацил-тРНК. Два других фактора, вероятно, влияют на конформацию 30S-субъединицы, помогая ей связываться с формилметионин –тРНК.

Последовательность стадий инициации у прокариот:

1. Образование двойного комплекса, состоящего из формилметионин-тРНК и фактора инициации IF2.

2. Присоединение 30S-субъединицы к мРНК и узнавание инициирующего кодона АУГ среди других аналогичных кодонов, кодирующих метионин. Выбор стартового кодона определяется 30S-субъединицей. Для этого необходима короткая последовательность (5-8 нуклеотидов) в мРНК. Эта последовательность называется последовательностью Шайна-Дальгарно. Последовательность Шайна-Дальгарно комплементарно связывается с последовательностью, расположенной вблизи 3׳-конца 16S рРНК, локализованной в 30S-субъединице рибосомы. В образовании комплекса мРНК и 30S-субъединицы принимает участие фактор IF3.

3. Присоединение двойного комплекса (формилметионин-тРНК-IF2) к комплексу 30S-мРНК. Для этого требуется энергия ГТФ. Формилметионин-тРНК располагается в недостроенном Р-участке.

4. Присоединение 50S-субъединицы и образование полной рибосомы. При этом происходит отделение факторов инициации и гидролиз ГТФ. Объединение субъединиц приводит к формированию двух центров связывания тРНК: Р-центра и А-центра.

Функция фактора IF1 до конца не выяснена, предположительно он способствует высвобождению фактора IF2 из комплекса.

Последовательность стадий инициации у эукариот:

1. Образование тройного комплекса, содержащего инициаторную метионин-тРНК, фактор eIF2 и ГТФ.

2. Присоединение тройного комплекса к 40S-субъединице рибосомы. Процесс стимулируется факторами eIF3 и eIF4C, которые, возможно, стабилизируют комплекс.

3. Присоединение мРНК к 40S-субъединице. Для этого требуется фактор еIF3 и другие дополнительные факторы (eIF1, eIF4A, eIF4B). 40S-субъединица присоединяется к 5׳-концу (кэпу) и мигрирует к инициирующему кодону АУГ (первый кодон АУГ по ходу мРНК). В присоединении используется энергия АТФ.

4. Присоединение 60S-субъединицы происходит в присутствии фактора eIF5 и сопряжено с гидролизом ГТФ. После образования полной рибосомы все факторы инициации высвобождаются.

Элонгация. На стадии элонгации происходит рост полипептидной цепи. Элонгация у прокариот требует присутствия факторов EF-Tu, EF-Ts и EF-G и состоит из трех стадий, повторяющихся много раз:

1. Присоединение к А-центру рибосомы аминоацил-тРНК, которая приносит второй (после формилметионина) аминокислотный остаток, кодируемый вторым (после триплета АУГ) кодоном мРНК. В последующих циклах к А-центру присоединяется аминоацил-тРНК, приносящая аминокислотный остаток, соответствующий находящемуся в А-центре кодону. Таким образом, создаются условия для образования пептидной связи между аминокислотными остатками, связанными с соответствующими тРНК закрепленными в А- и Р-центрах рибосомы. Для переноса аминоацил-тРНК на рибосому требуется фактор EF-Tu и ГТФ. При участии фактора EF-Tu осуществляется гидролиз ГТФ до ГДФ и фосфата, а выделяющаяся энергия расходуется на сближение двух акцептирующих концов молекул тРНК с прикрепленным к ним аминокислотными остатками. Комплекс EF-Tu-ГДФ при этом покидает рибосому и регенерируется с участием фактора EF-Ts, так что фактор EF-Tu вновь оказывается связанным с молекулой ГТФ, а затем и со следующей молекулой аминоацил-тРНК.

В элонгации трансляции у эукариот участвуют два фактора (eEF1 и eEF2), которые являются аналогами факторов EF-Tu и EF-G бактерий. Фактор eEF-1 образует комплекс с аминоацил-тРНК и ГТФ, и этот комплекс присоединяется к А-центру рибосомы.

2. Пептидилтрансферазная реакция. В начале процесса первый (формилметиониновый) остаток переносится на свободную NH₂ – группу второго аминокислотного остатка, связанного с тРНК, расположенной в А-центре рибосомы. В результате этой реакции образуется первая пептидная связь в молекуле синтезируемого белка и дипептидил-тРНК. В последующих циклах образуются пептидные связи между следующими аминокислотными остатками с образованием полипептида.

3. Транслокация. Заключается в том, что дипептидил-тРНК, оставаясь связанной с соответствующим кодоном мРНК, перемещается из А-центра в Р-центр рибосомы, одновременно с продвижением транслируемой мРНК через рибосому. При этом освободившаяся от аминокислотного остатка формилметиониновая тРНК удаляется из рибосомы. Одновременно освобождается А-центр, необходимый для связывания следующей аминоацил-тРНК. Транслокация («шаг» рибосомы по мРНК в направлении 5׳-3׳) происходит строго на расстояние, соответствующее размеру триплета в мРНК. В результате транслокации напротив освободившегося А-центра располагается очередной кодон мРНК, определяющий присоединение соответствующей аминоацил-тРНК. Транслокация требует участия фактора ЕF-G и сопровождается гидролизом еще одной молекулы ГТФ.

Многократное последовательное воспроизведение всех перечисленных стадий элонгации обеспечивает удлинение полипептидной цепи в соответствии с кодом мРНК.

Терминация. Терминация трансляции связана у бактерий с функционированием трех белковых факторов: RF1, RF2 и RF3 (релизинг-факторы). Эти факторы распознают стоп-кодоны в мРНК. Фактор RF1 узнает кодоны УАГ и УАА, фактор RF2 – УАА и УГА. Фактор RF3 выполняет вспомогательную роль, стимулируя работу RF1 и RF2. При поступлении в рибосому одного из терминирующих кодонов с ним связывается соответствующий RF-фактор и блокирует присоединение аминоацил-тРНК. Присоединение факторов терминации способствует отделению синтезированного полипептида от рибосомы. Одновременно отделяются тРНК и мРНК, а сама рибосома диссоциирует на 30S и 50S субъединицы. Для терминации также требуется молекула ГТФ.

В терминации трансляции эукариот принимет участие один фактор – eRF, узнающий все три стоп-кодона на мРНК.

Синтезированная полипетидная цепь должна свернуться в правильную пространственную структуру, характерную для каждого белка. Этап формирования функционально активной структуры белка называется фолдингом. Фолдинг включает формирование правильной третичной и четветичной структуры. Если белок состоит из нескольких полипептидных цепей, фолдинг включает их объединение в функционально активную молекулу. В настоящее время выявлены ферменты фолдинга – фолдазы и вспомогательные белки, участвующие в фолдинге – шапероны. Механизм фолдинга еще недостаточно изучен.