44. Биосинтез белка: активация аминокислот. Характеристика аминоацил-тРнк-синтетаз.

Трансляция (синтез белка) ‒ это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с «языка» последовательности нуклеотидов в мРНК «переводится» (транслируется) на «язык» последовательности аминокислот в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК в процессе репликации и транскрипции осуществляется в направлении 5’→3’.

Синтез белка протекает в несколько стадий: 1) активация аминокислот; 2) аминоацилирование тРНК; 3) собственно трансляция; 4) посттрансляционная модификация полипептидной цепи.

Для биосинтеза белка необходима информация о структуре синтезируемого белка (она заложена в нуклеотидной последовательности мРНК), рибосомы, транспортных РНК, 20 аминокислот, специфические ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, осуществляющие активацию аминокислот и присоединение их к тРНК, белковые факторы трансляции, АТР и GTP, ионы Mg²⁺.

Активация аминокислот.

В клетке аминокислоты, как правило, не существуют в свободном виде. Они взаимодействуют с тРНК и сохраняются в виде аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Биологический смысл такой мобилизации тРНК заключен в том, что аминокислоты при этом предохраняются от действия катаболических ферментов и не сгорают в клетке, а используются для синтеза белка. Лишь при избытке какой-нибудь из аминокислот часть ее остается не связанной с тРНК и через реакции переаминирования вовлекается в цикл лимонной кислоты для энергетического обмена.

Аминокислота присоединяется ковалентной аминоацильной связью между СООН-группой АК и гидроксильной группой 3′-углеродного атома рибозы к 3′-концевому аденозину ССА-триплета тРНК. Аминоацильная связь является макроэргической, поэтому ее образование можно рассматривать как активирование аминокислоты. В последующем энергия этой связи используется для образования пептидной связи.

Процесс образования аа-тРНК складывается из двух реакций.

Первая представляет собой взаимодействие аминокислоты с АТР. В результате этой реакции, катализируемой, аа-тРНК-синтетазой и обозначаемой как реакция первичной активации карбоксила (реакция активирования аминокислоты), образуются аминоациладенилат и пирофосфат:

аа-тРНК-синтетаза, Mg²⁺

1. АК + АТР АК ~ АМР + Н₄Р₂О₇

Аминоациладенилат остается связанным с аа-тРНК в виде нековалентного комплекса до тех пор, пока не произойдет вторая реакция: акцептирование активированного аминокислотного остатка, или перенос его на концевую группу тРНК. Эта реакция также катализируется аа-тРНК-синтетазой:

аа-тРНК-синтетаза, Мg²

2. АК~ АМР + тРНК АК~ тРНК + АМР

В результате этой реакции карбоксильная группа АК переносится на 3′-ОН группу рибозы концевого аденозина тРНК и образуется конечный продукт – аа-тРНК, а сама аа-тРНК-синтетаза и АМР высвобождаются.

Аа-тРНК-синтетаза.

Это особый класс ферментов, катализирующих строго специфическое соединение аминокислоты с соответствующей ей тРНК. Для каждой АК существует специфическая аа-тРНК-синтетаза. Клетка содержит, по крайней мере, 20 типов аа-тРНК-синтетаз, обладающих специфичностью не только в отношении аминокислоты, но и тРНК. Из-за единообразия функций все тРНК имеют очень сходную пространственную структуру. Поэтому распознавание аа-тРНК-синтетазой своей тРНК должно базироваться на очень тонких различиях строения отдельных тРНК.

Аминоацил-тРНК-синтетазы имеют два активных центра: один небольших размеров, связывающий аминокислоту; и второй, протяженный, - для точного выбора тРНК. АТР связывается в активном центре фермента через ион Mg²⁺.

Структура аа-тРНК-синтетаз обеспечивает точную установку тРНК относительно фермента, в результате чего участок аа-тРНК-синтетазы, несущий активированную АК, располагается рядом с 3′-концевым аденозином.

- Аминоацил-тРНК-синтетазы работают очень точно;

- Аминоацил-тРНК-синтетазы очень медленные ферменты, число их оборотов составляет 50-500 каталитических актов в минуту;

- Аминоацил-тРНК-синтетазы существуют в виде высокомолекулярных комплексов – кодосом. Они включают несколько аа-тРНК-синтетаз и ферменты, модифицирующие аа-тРНК-синтетазы и регулирующие их активность. Это протеинкиназы, метилтрансферазы, фосфопротеинфосфатазы и др.