117
Глава 6. Трансляция
6.1 Общая характеристика
Трансляция — это процесс синтеза белка, который происходит на рибосомах с участием мРНК в качестве матрицы. Генетическая информация, закодированная в ДНК, сначала транскрибируется на мРНК, а затем транслируется в цепочку аминокислот. Отрезок мРНК, кодирующий последовательность аминокислот в белке, считывается триплетами (кодонами), каждый из которых кодирует одну аминокислоту.
6.2Свойства генетического кода
—Триплетность — каждый кодон состоит из 3 нуклеотидов (триплет).
—Непрерывность — в генетическом коде нет знаков препинания. При синтезе белка код считывается непрерывно.
—Неперекрываемость — один нуклеотид входит в состав лишь одного кодона (исключение: у бактерий и вирусов, а также в митохондриях, существуют перекрывающиеся гены, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
—Однозначность (специфичность) — каждый кодон кодирует только одну аминокислоту (исключение: кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин).
—Вырожденность (избыточность) — одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими кодонами.
—Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).
—Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты,
называют радикальными.
6.3Основные этапы биосинтеза белка
Биосинтез белка у всех организмов происходит в 5 основных стадий:
1.Активация аминокислот.
2.Инициация.
3.Элонгация.
4.Терминация и диссоциация рибосом.
5.Фолдинг и посттрансляционный процессинг.
Ниже приведены компоненты, необходимые клетке кишечной палочки E. coli на каждой из стадий биосинтеза белка:
118 |
|
Глава 6 |
Трансляция |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 10 |
|
Компоненты, необходимые для 5 основных стадий биосинтеза белка |
|
|
|
|
клетке кишечной палочки E. coli |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стадия
1.Активация аминокислот
2.Инициация
3.Элонгация
4.Терминация и диссоциация рибосом
5.Фолдинг и посттрансляционная модификация
Необходимый компонент
20 аминокислот
20 аминоацил-тРНК-синтетаз
32 или более тРНК АТФ
Mg2+
мРНК N-формилметионил-тРНКМет
Инициационный кодон на мРНК (AUG) 30S рибосомальная субъединица
50S рибосомальная субъединица Инициационные факторы (IF-1, IF-2, IF-3) ГТФ
Mg2+
Функциональная 70S рибосома (инициационный комплекс) Аминоацил-тРНК
Элонгационные факторы (EF-Tu, EF-Ts, EF-G) ГТФ
Mg2+
Стоп-кодон на мРНК Релиз-факторы (RF-1, RF-2, RF-3, RRF) EF-G
IF-3
Особые ферменты, кофакторы и другие компоненты для удаления начальных аминокислотных остатков, сигнальных последовательностей, протеолиза, модификации терминальных остатков, присоединения химических групп: ацетильных, метильных, карбоксильных, фосфорных, углеводных и простетических групп.
А Этап 1. Активация аминокислот
Для синтеза полипептидной цепи с заданной последовательностью аминокислот должны быть соблюдены два ключевых требования:
1.Карбоксильная группа каждой аминокислоты должна быть активирована для последующего образования пептидной связи.
2.Между каждой аминокислотой и мРНК, кодирующей последовательность аминокислот в цепи, должна быть образована специфичная
Основные этапы биосинтеза белка 119
связь, гарантирующая правильность включения аминокислот в растущую цепь.
Оба требования выполняются благодаря связыванию аминокислот с корректной тРНК на первой стадии трансляции — активации аминокислот. Для каждой аминокислоты существует тРНК, специфичная только для неё. Поэтому связывание аминокислоты с правильной тРНК — это крайне важный процесс. Эта реакция происходит не на рибосомах, а в цитозоле. Каждая из 20 аминокислот ковалентно связывается со специфичной для неё тРНК с затратой молекулы АТФ. Катализируют её Mg2+- зависимые активирующие ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы. Транспортная РНК, связанная с аминокислотой на 3’-конце цепи РНК через карбоксильную группу аминокислоты, называется аминоацил-тРНК. Аминоацил-тРНК содержит антикодон, последовательность из трёх нуклеотидов, комплементарную кодону на мРНК. В процессе синтеза белка участвует множество таких аминоацилированных тРНК.
БЭтап 2. Инициация
Винициации происходит образование инициирующего комплекса, состоящего из полной рибосомы (в норме рибосомы находятся в диссоциированной состоянии), мРНК и инициирующей аминоацил-тРНК.
Матричная РНК, в которой закодирована последовательность аминокислот в белке, связывается с малой субъединицей рибосом (как у про-, так и у эукариот) и аминоацил-тРНК, несущей инициирующую аминокислоту (формилметионин у прокариот или метионин в эукариот). Инициирующая аминоацил-тРНК взаимодействует своим антикодоном с кодоном AUG на мРНК, с которого начинается синтез белка. Для инициации требуются молекулы ГТФ (гуанозинтрифосфат, в роли источника энергии) и факторы инициации (IF-белки). Затем к малой субъединице рибосом присоединяется большая, а факторы отщепляются. Инициирующий комплекс готов
ксинтезу белка.
ВЭтап 3. Элонгация
Вэлонгации происходит синтез белковой цепи путём ковалентного присоединения аминокислотных остатков (образования пептидных связей), каждый из которых переносится на рибосому специфичной только для него тРНК, несущей на себе антикодон. Именно комплементарность антикодона на тРНК и кодона на мРНК обеспечивает корректность включения аминокислот в цепь.
Элонгация требует участия особых белков — факторов элонгации (EF-белки) —
иГТФ (тоже в роли источника энергии).
ГЭтап 4. Терминация и диссоциация рибосом
Терминация — процесс завершения синтеза белка. На любой функционально активной мРНК есть особый стоп-кодон: UAA, UGA или UAG. На нём синтез цепи прекращается, и полипептид отщепляется от рибосомы. В этом участвуют белки —
119