1.5.3.Синтез белка на рибосоме

Собственно синтез полипептидных цепей происходит на рибосоме. Рибосома представляет собой очень сложный белок-нуклеиновый комплекс. Каждая рибосома состоит из двух неравных по размеру субчастиц, которые в свою очередь состоят из белков и рибосомальных РНК (рРНК). Размеры и состав про- и эукариотических рибосом приведены на Рис. 6 .15

Рис. 6.15. Состав и размер про- и эукариотической рибосомы

Рис. 6.16. Большая и малая субчастицы рибосомы и расположение Р- и А-сайтов

Хотя обычно рибосомы изображают в виде симметричной структуры, в действительности субчастицы расположены не симметрично и имеют совершенно неправильную форму. Две замысловатой формы субчастицы (Рис. 6 .16) пригнаны друг к другу, причем между ними остается щель. Через эту щель проходит молекула мРНК, вдоль которой в процессе трансляции движется рибосома. из этой же щели появляется новосинтезированная полипептидная цепь.

В процессе трансляции рибосома движется от 5- к 3-концу мРНК, а синтез полипептида начинается с N-конца протекает от N- к С-концу. В процессе трансляции рибосомы должны одновременно взаимодействовать с мРНК и двумя молекулами тРНК, одна из которых несет на 3-конце пептидный фрагмент, а другая — аминоацильный. Участки рибосомы, на которых связываются эти тРНК, называют Р-сайтом и А-сайтом, соответственно (Рис. 6 .16). Многочисленные данные свидетельствуют, что в обоих участках тРНК связаны с соответствующими кодонами.

Инициация синтеза полипептидной цепи

Инициация синтеза полипептидной цепи представляет собой реакцию между двумя аминоацил-тРНК, несущими остатки, соответствующие первой и второй аминокислоте создаваемого белка. При этом первой аминокислотой, как правило, является метионин. В тех преобладающих случаях, когда N-концевая аминокислота зрелого белка отличается от метионина, последний удаляется в ходе процессинга синтезируемого полипептида. При этом в стадии инициации участвует специальная метиониновая тРНК, которая называется инициаторной и обозначается тРНК_i^Met. Наряду с ней у всех живых организмов существует другая специфичная к метионину тРНК, элонгаторная тРНК_е^Met. У прокариот метионин, связанный с инициаторной тРНК, формилируется по -аминогруппе. Для образования инициирующего комплекса необходимы три белка, называемые факторами инициации (IF-1, IF-2 и IF-3).

Инициирующая тРНК_i^Met может связывается только с Р-сайтом, однако это исключение: все остальные вновь поступающие аминоацил-тРНК присоединяются к А-участку, тогда как Р-участок — это такое место рибосомы, с которого уходят «пустые» тРНК.

Элонгация синтеза полипептидной цепи

Реакция образования новых пептидных связей на рибосомах на стадии элонгации представляет собой перенос растущей пептидной цепи длиной г звеньев, связанной сложноэфирной связью с одной из гидроксигрупп 3'-концевого нуклеотида тРНК, специфичной к i-й аминокислоте, на -аминогруппу (i + 1)-й аминокислоты, связанной со специфичной к ней тРНК.

В процессе трансляции рибосомы должны одновременно взаимодействовать с мРНК и двумя молекулами тРНК, одна из которых несет на 3'-конце пептидный фрагмент (связана в Р-участке), а другая — аминоацильный (связана в А-участке). В обоих участках тРНК связаны с соответствующими кодонами. Область рибосомы, с которой в А-участке взаимодействуют кодон и антикодон, называют участком декодирования. После отбора аминоацил-тРНК происходит перенос пептидного фрагмента на -аминогруппу аминоацил-тРНК. Участок рибосомы, на котором происходит этот процесс и который, следовательно, содержит каталитический центр для переноса пептида, называется пептидилтрансферазным участком. Поскольку расстояние между 3'-концом тРНК и антикодоновой петлей порядка 8 нм, пептидилтрансферазный и декодирующий участки на рибосоме удалены друг от друга. Известно, что они вообще находятся на разных субъединицах рибосом: декодирующий — на малой, а пептидилтрансферазный — на большой субъединице. Молекулы тРНК располагаются на рибосоме таким образом, что взаимодействуют с обеими субъединицами, причем на большой субъединице в районе пептидилтрансферазного центра сближены их 3'-концевые СрСрА фрагменты, а на малой субъединице вблизи декодирующего участка — их антикодоновые петли.

После переноса пептидного остатка аминоацил-тРНК, находящаяся в А-участке, превращается в пептидил-тРНК. За этим следует транслокация, перемещающая ее в Р-участок, при этом перемещается и связанный с ней кодон (и, естественно, вся молекула мРНК).

В процессе элонгации участвуют два белковых фактора EF-1 и EF-2. Происходящее при элонгации «продергивание» мРНК через рибосому (или движение рибосомы по мРНК) требует затраты энергии. Для этого используется энергия гидролиза трифосфатной связи GTP.

Терминация синтеза полипептидной цепи

Терминация происходит на специальных кодонах-терминаторах UpApA, UpApG и UpGpA. Когда в участок, на котором на рибосоме проходит отбор мономера, попадает такой кодон, связывания какой-либо аминоацил-тРНК не происходит и синтез полипептидной цепи прекращается. При этом проходит гидролиз сложноэфирной связи, соединяющей синтезированный полипептид с тРНК, т. е. освобождение полипептида.

Каждая молекула информационной РНК (мРНК) помимо полирибонуклеотидной последовательности, программирующей некоторую последовательность аминокислот, содержит дополнительные нетранслируемые области как с 3'-, так и с 5'-конца. У прокариотических мРНК непосредственно перед инициаторным кодоном находится специальная олигопуриновая последовательность из шести нуклеотидов, комплементарная 3'-концевому фрагменту рибосомной РНК малой субъединицы (последовательность Шайна-Дельгарно). Образование комплекса между этими олигорибонуклеотидными фрагментами играет важную роль в обеспечении фиксации инициаторного кодона в декодирующем участке активного центра рибосомы. У многих эукариотических мРНК на 5'-конце имеется специфическая структура, называемая кэпом (от англ, cap — шапочка).

На 3'-конце многих эукариотических мРНК имеется довольно протяженный фрагмент, состоящий только из остатков адениловой кислоты. Этот поли(А)-фрагмент не входит в состав первичного транскрипта, т. е. не запрограммирован непосредственно в гене, а присоединяется с помощью специального фермента — полинуклеотидаденилилтрансферазы (КФ2.7.7.19).