Лекция 4. Биосинтез белка (трансляция)

Трансляция (биосинтез белка) – это процесс, в ходе которого информация о структуре белка, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в молекуле зрелой мРНК, «переводится на язык аминокислот» при участии тРНК и рибосом. В результате образуется молекула белка со строго определенной первичной структурой.

В состав мРНК входят 4 нуклеотида, а в состав белков – 20 аминокислот. Из этого следует, что должен существовать способ кодирования аминокислот последовательностью нескольких нуклеотидов. Способ кодирования, согласно которому в мРНК зашифрована последовательность аминокислот в белке, получил название генетического (биологического или аминокислотного) кода

Было установлено, что код

• триплетен: каждая аминокислота кодируется в молекуле ДНК или мРНК тремя нуклеотидами – кодоном. Из 4 нуклеотидов, входящих в состав мРНК, можно составить 64 триплета (4³=64). Из них имеют смысл, т.е. шифруют включение в белок определенной аминокислоты, 61 триплет. Три остальных триплета – UAA, UAG, UGA – сигнализируют о завершении аминокислотной последовательности белка и выполняют функцию точки в записи информации. Их называют стоп-кодонами.

• однонаправлен: кодоны расположены линейно, не перекрываются и читаются в направлении от 5’-и 3’концу

• специфичен: каждый кодон шифрует только одну определенную аминокислоту

• вырожден: большинство аминокислот закодировано в молекулах ДНК и мРНК более чем одним кодоном. Исключение составляют 2 аминокислоты – метионин и триптофан, каждая из которых зашифрована только одним кодоном, а всем остальным аминокислотам соответствует 2-6 кодонов

• универсален: смысл кодонов един почти для всех организмов на Земле. Исключением является митохондриальная мРНК, у которой 4 кодона имеют другой смысл

• комплементарен: последовательность кодонов в зрелой мРНК соответствует последовательности аминокислот в белке, который синтезируется на этой матрице

Декодирование информации о структуре белка, записанной в виде последовательности кодонов мРНК, возможно благодаря тРНК, выполняющим функции адапторов («приспособителей» аминокислот к кодонам мРНК). В центре полинуклеотидной цепи этих молекул имеется антикодоновая петля, в которой находится триплет нуклеотидов – антикодон, способный связываться с кодоном мРНК по принципу комплементарности и антипараллельности. На 3’конце молекулы все тРНК имеют акцепторный триплет – ССА, к которому аминокислоты присоединяются α-карбоксильной группой.

Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК. В цитозоле связывание аминокислот с тРНК катализируют ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы (аа-тРНК-синтетазы), образуют сложноэфирную связь между α-карбоксильной группой аминокислоты и 3’-гидроксильной – уппой рибозы акцепторного триплета –ССА. В ходе реакции АТФ расщепляется на АМФ и пирофосфат, давая энергию на образование макроэргической связи между аминокислотой и тРНК, поэтому образование аа-тРНК можно рассматривать как реакцию активации аминокислот.

Например, активацию аспартата катализирует аспарагил-тРНК-синтетаза.

Образование полипептидных цепей белка требует участия большого числа компонентов, основными из которых являются:

• аминокислоты – субстраты синтеза белка

• мРНК – матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка в виде линейной последовательности кодонов

• тРНК – адапторы аминокислот к кодоном мРНК

• аа-тРНК-синтетазы, катализирующие связывание аминокислот с соответствующими тРНК

• рибосомы – субклеточные структуры, на которых происходит сборка аминокислот в полипептидные цепи

• АТФ и ГТФ – источники энергии

• Mg²⁺ - кофактор, стабилизирующий структуру рибосом

• факторы инициации, элонгации, терминации – внерибосомные белки, облегчающие и ускоряющие процесс трансляции

После образования аа-тРНК дальнейшие события по сборке аминокислот в полипептидные цепи белка происходят на рибосомах и включают инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация начинается с присоединения к зрелой мРНК в области кэпа малой субъединицы рибосомы 40S, инициирующей аа-тРНК (у эукариотов это всегда), факторов инициации и молекулы ГТФ. При связывании антикодона Мет-тРНК^мет с кодоном AUG к образовавшемуся комплексу с затратой энергии ГТФ присоединяется субъединица 60S рибосомы, а факторы инициации удаляются. Формируется полная 80S рибосома с двумя активными центрами; Р-центром (пептидильным), с которым оказывается связанной Мет-тРНК^мет, и А-центром (аминоацильным), в область которого попадает первый смысловой кодон мРНК.

Комплекс, состоящий из 40S субъединицы рибосомы, Мет-тРНК^мет, факторов инициации и молекулы ГТФ прекращает движение по мРНК в области инициирующего кодона.

Антикодон Мет-тРНК^мет связывается с кодоном AUG, к комплексу с затратой энергии ГТФ присоединяется 60S субъединица рибосомы, а факторы инициации удаляются.

На рибосоме формируются А и Р-центры

Элонгация включает 3 последовательные стадии

1. связывание аа-тРНК в А-центре. В свободный А-центр присоединяется аа-тРНК, у которой антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемуся в области этого центра. Для того чтобы это событие стало возможным, требуются затрата энергии ГТФ и участие фактора элонгации EF1.

2. образование пептидной связи. Между α-NH₂-группой аминокислоты, находящейся в А-центре в составе аа-тРНК, и карбоксильной группой метионина или другой аминокислоты, входящей в растущую полипептидную цепь и присоединенной к тРНК Р-центра, возникает пептидная связь. Катализирует эту реакцию пептидилтрансфераза. Продуктом реакции становится удлиненная на одну аминокислоту пептидил-тРНК в А-центре рибосомы.

3. перемещение рибосомы по мРНК (транслокация). Рибосома перемещается по мРНК на один кодон в направлении от 5’-и 3’концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF2. В результате передвижения рибосомы пептидил-тРНК (Мет-тРНК^мет) из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон мРНК. тРНК, которая передала Мет (или растущий пептид) на аминокислоту аа-тРНК (Вал-тРНК^вал) на этом этапе теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль клетки.

Терминация. Этот этап наступает, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов мРНК - UAA, UAG, UGA. В нем участвуют белковые факторы терминации RF1, RF3, которые узнают эти кодоны и высвобождают вновь синтезированный пептид из связи с тРНК, субъединицами рибосомы и мРНК. Этот этап энергозависим и сопровождается гидролизом ГТФ.

По мере продвижения рибосомы по мРНК к 3’концу молекулы 5’конец высвобождается и к нему могут присоединяться новые рибосомы. Как правило, одновременно несколько рибосом могут синтезировать полипептидные цепи на одной и той же мРНК. Комплекс мРНК с несколькими работающими рибосомами образует полирибосому.

При попадании в А-центр стоп-кодона вновь синтезированный пептид высвобождается из связи с тРНК и рибосомой с участием факторов терминации и энергии ГТФ.