Трансляція
Біосинтез білка здійснюється в два етапи: 1. транскрипція – утворення матричної РНК на ДНК; 2. трансляція – біосинтез білка на рибосомах за участі тРНК та мРНК.
Трансляція – це перенесення інформації, закодованої послідовності нуклеотидів мРНК, в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга. В ході трансляції синтезуються всі білки клітини. Причому цей процес проходить в декілька стадій: активування амінокислот, ініціація синтезу поліпептидного ланцюга, елонгація та термінація синтезу. Система для синтезу білка включає в себе біля 200 типів макромолекул. Серед них біля 100 беруть участь в активуванні амінокислот та їх перенесенні на рибосоми, більше 60 входять до складу рибосом, біля 10 приймають участь в процесах що проходять на рибосомі.
Активування амінокислот.
На цій стадії відбувається активування амінокислот за рахунок енергії АТФ, „впізнавання”, (рекогніція) тРНК своїх амінокислот з допомогою спеціальних ферментів, акцептування цих амінокислот. Реакція протікає в розчинній частині цитоплазми. Амінокислоти активуються особливими ферментами – амінацил-тРНК-синтетазами (іноді їх називають скорочено АРСазами) і приєднуються до певних тРНК.
Кожен з цих ферментів має подвійну специфічність: до певної амінокислоти і до відповідної їй тРНК. Реакція активування протікає в активному центрі фермента в два етапи. Спочатку в результаті взаємодії АТФ і амінокислоти утворюються зв’язаний з ферментом аміноациладенілат. СООН-група амінокислоти зв’язується ангідридним зв’язком з 5´-фосфатною групою АМФ з виділенням пірофосфату, при цьому аміноациладенілат набуває від АТФ частину енергії, необхідної для утворення пептидного зв’язку.
У другій реакції проходить перенос аміноацильного залишка на специфічну тРНК. СООН-група амінокислоти утворює складно-ефірний зв’язок з 3´-ОН-групою кінцевого аденозинового залишку тРНК. Тобто в ході цього процесу кожна тРНК зв’язується зі специфічною для неї амінокислотою.
Аміноацил-тРНК-синтетази по структурі діляться на три групи. До першої групи належать ферменти, що складаються з одного поліпептидного ланцюга (валінова, лейцинова), другу групу представляють білки, що складаються з одинакових субодиниць (серинова), до третьої групи входять АРСази, що містять не одинакові субодиниці (триптофанові, гліцинова). Для еукаріотичних організмів характерна вродженість АРСаз по амінокислотам. В гіалоплазмі прокаріот АРСази розподілені дифузно, а у еукаріот дані ферменти зосереджені в мультиензимному комплексі.
Комплекс амінокислота-тРНК переноситься до рибосом, де відбувається синтез поліпептидного ланцюга. Молекули тРНК при цьому відіграють роль адаптерів, тобто пристосувань, з допомогою яких амінокислоти включаються в ланцюг в певному порядку.
Ініціація трансляції
На стадії ініціації з окремих компонентів збирається апарат для синтезу білка і протікають підготовчі реакції. Організуючими центрами процесу трансляції є рибосоми. Якщо рибосома не зв’язана з мРНК, вона дисоціює на субчастини (у прокаріот 30S і 50S, в еукаріот 40S і 60S ). В ході ініціації проходить збирання рибосом.
В процесі трансляції поліпептидний ланцюг починає будуватись з N-кінця і закінчується С-кінцем. Сигналом до початку синтезу є сполучення трьох нуклеотидів: АУГ (метіонін), в деяких випадках ініціюючим кодоном може бути ГУГ (валін).
В клітинах прокаріот існує дві метіонінові тРНК, одна акцептує залишки метіоніну і включає їх в поліпептидний ланцюг, а друга є ініціаторною. Якщо метіонін з’єднується з ініціаторною тРНК, то відбувається його формілювання. При цьому формільна група переноситься з N10-формілтетрагідрофолієвої кислоти на метіонін-тРНК з утворенням тетрагідрофолієвої кислоти та формілметіоніл-тРНК. Блокування аміногрупи метіоніну формільним залишком дозволяє цій амінокислоті першою стати в рибосому, почавши ріст поліпептидного ланцюга. Тому у прокаріот всі поліпептиди починаються з формілметіоніну. Після закінчення синтезу поліпептиду формільна група відщеплюється від нього деформілазою, а в ряді випадків відщеплюється і метіоніновий залишок ферментом пептидазою. Інколи цей фермент відщеплює декілька десятків перших амінокислот.
Крім ініціаторної тРНК, мРНК 30S і 50S рибосомних субчастинок і для процесу ініціації синтезу білка необхідні ще ГТФ і три білки. Вони не входять, зазвичай, до складу рибосоми і називаються факторами ініціації і позначаються як IF-1,IF-2,IF-3.
Ініціація протікає так: фактор IF-3 з’єднюється з 30S-субодиницею рибосоми, білковий фактор IF-2 з’єднюється з ГТФ. До комплексу IF-2-ГТФ приєднується формілметіоніл-тРНК. На другій стадії з утвореним комплексом реагує 30S-субодиниця, що вже містить IF-3. До утвореного комплексу приєднується своїм 5´-кінцем мРНК при участі фактору IF-1. На заключному етапі приєднується 50S-субодиниця, при цьому вивільнюються всі три фактори ініціації, а також ГДФ і Фн. В результаті цих процесів рибосома зібрана і готова до початку синтезу.
Важливу роль в ініціації синтезу відіграють активні центри рибосом. В рибосомах знаходяться порожнини, в яких специфічно зв’язуються молекули, що беруть участь в білковому синтезі. За вибір середовища і специфічність зв’язування аміноацил-тРНК відповідає 30S-субодиниця.
Ділянка зв’язування ацильної тРНК обмежується поверхнями 30S- і 50S-субодиниць, а також відповідним кодоном мРНК внаслідок чого ділянка володіє специфічністю тільки до певної тРНК. Аміноацил-тРНК зв’язується в А-сайті 30S-субчастинки, причому аміноацил зачіпається на 50S-субчастинку, що замикає порожнину, при цьому він попадає в А-ділянку пептидилтрансферазного центру, що знаходиться в цій субодиниці. Поряд з А-ділянкою розміщена Р-(пептидил-тРНК- зв’язуюча) ділянка (Р-сайт), в якому розміщується пептидил-тРНК. Пептидил також зачіпає на 50S-субодиницю, знаходячись при цьому в Р-ділянці пептидилтрансферазного центра. На 50S-субодиниці виявлена також Е-ділянка, в якій неспецифічно зв’язується тРНК у відсутності матриці.
В результаті ініціаторних процесів формілметіоніл-тРНК стає одразу в Р- ділянку. При цьому її антикодон 3´-УАЦ-5´, очевидно, зв’язаний з метіоніновим кодоном мРНК 5´-АУГ-3´. А-ділянка вільна і в неї входить наступний кодон, цей кодон зчитується відповідною аміноацил-тРНК.
У еукаріот ініціаторною є також метіонін-тРНК, однак на відміну від такої самої у прокаріот вона не формулюється, а реагує з факторами ініціації eIF-5, eIF-2, eIF-3, з 40S-частинкою рибосом і мРНК. Реакції йдуть по тій же схемі, що і в прокаріот.
Синтез пептидів в мітохондріях і хлоропластах йде так само, як і в прокаріот, а ініціація здійснюється з допомогою формілметіоніл-тРНК.
Елонгація поліпептидного ланцюга і термінація синтезу
По закінченні стадії ініціації в Р-ділянці рибосоми знаходиться ініціаторна формілметіоніл-тРНК. А-ділянка вільна, але в ній вже знаходиться наступний кодон мРНК. Аміноацил-тРНК комплементарна черговому кодону, зв’язується з А-ділянкою. Для цього процесу у бактерій потрібні ГТФ і специфічний цитоплазматичний білок-фактор елонгації EF-T, що складається з двох субодиниць EF-Tu та EF-Ts. Відповідний фактор елонгації у еукаріот позначається як EF-1. ГТФ гідролізується до ГДФ і Фн. Кожен раз специфічна РНК впізнається завдяки впізнаванню кодон-антикодон. При цьому на її поверхню виходить послідовність ТУЦ, що утворює водневі зв’язки з послідовністю ЦГА, що знаходиться в 16S рРНК. Таким чином аміноацил-тРНК розміщується в А-ділянці рибосоми. Потім проходить утворення пептидного зв’язку. В пептидилтрансферазному центрі, що знаходиться на 50S-субодиниці рибосоми, проходить перенесення формілметіонілового залишка на аміногрупу амінокислотного залишка, що знаходиться в А-ділянці. В результаті взаємодії аміногрупи амінокислоти, яка щойно надійшла в рибосому, з карбоксилом попередньої амінокислоти утворюється пептидний зв’язок. Ця реакція протікає по механізму нуклеофільного заміщення (витісняється тРНК попередньої амінокислоти) і каталізується ферментом пептидилтрансферазою, яка є одним з білків великої субодиниці рибосом.
Потім відбувається транслокація в рибосомі мРНК на один кодон. Процес транслокації є дуже складним, для його протікання необхідні ГТФ, другий фактор елонгації EF-G (або EF-2 у еукаріот), а також енергія гідролізу АТФ.
Л