Синтез полипептидных цепей на рибосомах

Сборка полипептидных цепей белков происходит на рибосомах в соответствии с информацией, поступающей из ядра с м-РНК.

Рибосомы эукариот представляют собой клеточную органеллу, состоящую из двух субъединиц: малой или 40S субъединицы, в состав которой входит 18S рРНК и 33 молекулы белков, и большой или 60S субъединицы, имеющей в своем составе три молекулы рРНК (28S, 5,8S и 5S) и 45 белковых молекул.

В составе рибосомы имеется 4 функциональных центра:

1. центр связывания мРНК;

2. П-центр - центр связывания тРНК, несущей синтезируемую полипептидную цепь;

3. А-центр - центр связывания тРНК, несущей очередную аминокислоту, которая будет присоединяться к синтезируемой полипептидной цепи;

4. Т-центр или пептидилтрансферазный центр, обеспечивающий образование пептидных связей в синтезируемом полипептиде:

Процесс трансляции принято делить на три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации синтеза полипептида необходимы рибосома, диссоциированная на субъединицы; инициирующая тРНК, в качестве которой в клетках эукариот используется тРНК^Мет, нагруженная метионином; мРНК; ГТФ; кроме того, необходимо несколько белков-факторов инициации: эФИ-1, эФИ-2, эФИ‑3, эФИ-4 (А, В, С), причем фактор инициации эФИ-3 необходим для диссоциации рибосомы на субъединицы.

Инициация начинается с взаимодействия Мет-тРНК с малой субъединицей рибосомы, для этого необходимы факторы инициации ФИ-4 эФИ-2 и ГТФ:

Параллельно идет взаимодействие 5'-конца мРНК с КЭП-связывающим белком.

Затем мРНК вместе с КЭП-связывающим белком взаимодействует с малой субъединицей рибосомы, нагруженной Мет-тРНК. Для этого взаимодействия необходимы факторы инициации эФИ-1, эФИ-4А, эФИ-4Б, кроме того, в ходе взаимодействия расщепляется молекула АТФ.

Для эффективного связывания мРНК с малой субъединицей рибосомы абсолютно необходим КЭП, в отсутствии КЭПа связывания мРНК с 40S-субъединицей практически не происходит.

Далее малая субъединица продвигается по мРНК в направлении от ее КЭПа к 3'-концу, пока не достигнет инициирующего кодона АУГ. В составе мРНК всегда имеется несколько кодонов АУГ, которые в пределах ее транслируемой зоны кодируют метионин, присутствующий в полипептидных цепях белков.

Сформировавшийся комплекс, состоящий из малой субъединицы рибосомы, связанной с мРНК и инициаторной Мет-тРНК подучил название инициирующего комплекса.

Этот инициирующий комплекс, в состав которого входят также ГТФ и два инициаторных белка, взаимодействует с большой (60S) субъединицей рибосомы. В ходе этого взаимодействия происходит расщепление ГТФ до ГДФ и Ф, высвобождается КЭП-связывающий белок и ряд факторов инициации (эИФ-2, эИФ-3 и др.)

После присоединения большой субъединицы рибосомы Мет-тРНК оказывается в П-центре рибосомы, а А-центр свободен и может связывать следующую аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в А-центре рибосомы. На этом заканчивается фаза инициации.

В ходе следующей фазы — фазы элонгации — происходит последовательное присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой полипептидной цепи в направлении от ее N-конца к С-концу. Процесс элонгации идет циклически, причем в ходе цикла полипептидная цепь увеличивается на один аминокислотный остаток.

Цикл элонгации начинается с взаимодействия аминоацил-тРНК (Аа-тРНК), антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в А-центре рибосомы, с ГТФ и белковым фактором элонгации I (ФЭ-1):

Образовавшийся комплекс взаимодействует с рибосомой. В ходе взаимодействия Аа-тРНК связывается в А-центре рибосомы так, что ее антикодон взаимодействует с кодоном мРНК. ГТФ в ходе взаимодействия расщепляется до ГДФ и Ф, обеспечивая процесс энергией. После расщепления ГТФ фактор элонгации ФЭ-1 высвобождается и покидает рибосому. В результате в А-центре рибосомы оказывается Аа-тРНК, а в П-центре оказывается тРНК, несущая синтезируемую полипептидную цепь (или Мет-тРНК, если речь идет о первом цикле элонгации):

Под действием пептидилтрансферазы Т-центра рибосомы синтезируемая полипептидная цепь с тРНК, находящейся в П-центре рибосомы, переносится на NH₂-группу аминокислоты, связанной с тРНК в А-центре рибосомы с образованием пептидной связи. Необходимая для образования пептидной связи энергия, высвобождается за счет разрыва макроэргической связи между аминокислотным остатком и тРНК.

После переноса пептидильного остатка свободная тРНК покидает П-центр рибосомы, а рибосома при участии фактора элонгации ФЭ-2 передвигается по мРНК в направлении ее 3'-конца на расстояние, равное одному кодону. Энергетика этого перемещения рибосомы по мРНК обеспечивается гидролизом молекулы ГТФ до ГДФ и Ф.

В результате перемещения рибосомы в ее П-центре оказывается тРНК, несущая синтезируемый полипептид, а в ее А-центре — следующий кодон матричной РНК:

Рибосома готова к новому циклу элонгации. Количество циклов элонгации определяется количеством кодонов в зоне трансляции мРНК.

На образование каждой пептидной связи клетка затрачивает 4 макроэргических эквивалента: 2 из них затрачиваются на образование аминоацил-тРНК, поскольку в ходе реакции, катализируемой аминоацил-тРНК-синтетазой, АТФ расщепляется до АМФ и 2Ф; еще 2 затрачиваются в цикле элонгации, так как в ходе каждого цикла 2 ГТФ расщепляются до 2ГДФ и 2Ф.

После многих циклов элонгации, в результате которых синтезируется полипептидная цепь того или иного белка, в А-центре рибосомы оказывается один из терминирующих кодонов: УАА, УГА, УАГ. Начинается следующая фаза — фаза терминации транскрипции. Появление в А-центре терминирующего кодона узнается с помощью белковых высвобождающих факторов или R-факторов. R-факторы при участии ГТФ и пептидилтрансферазы Т-центра рибосомы гидролизуют связь между синтезированным полипептидом и тРНК, находящейся в П центре рибосомы. Синтезированный полипептид уходит с рибосомы. Далее из П-центра рибосомы уходит освобожденная от синтезированного полипептида тРНК, а затем рибосома покидает мРНК. Свободная рибосома диссоциирует на субъединицы и может начинать синтез новой полипептидной цепи.

На одной и той же мРНК может работать одновременно несколько рибосом, образующих полирибосому или полисому.

Точность сборки полипептидных цепей контролируется на двух этапах: во-первых, на стадии образования аминоацил-тРНК, во-вторых, на стадии связывания аминоацил-тРНК с А-центром рибосомы в фазе элонгации. Если к А-центру рибосомы присоединяется Аа-тРНК, антикодон которой не комплементарен кодону мРНК, также находящемуся в А-центре рибосомы, связь этой ошибочной Аа-тРНК с А-центром непрочная и эта Аа-тРНК покидает А-центр раньше, чем сработает механизм образования пептидной связи.