Процесс инициации
Процесс инициации сложен. Он слагается из ряда этапов, катализируемых белками которые носят название факторов инициации (IF); многие из них сами состоят из нескольких полипептидных цепей. В силу этой сложности инициации многие ее детали до сих пор не вполне выяснены. Известно, однако, что сборка каждой рибосомы на цепи мРНК проходит в два этапа: сначала нагруженная_факторами инициации малая субъединица рибосомы находит на м РНК старт- кодон, а затем к ней присоединяется большая субъединица.
Прежде чем рибосома может начать синтез новой полипептидной цепи, к ее
Р - участку, обычно удерживающему пептидил-тРНК должна присоединиться молекула
аминоацил-тРНК. Для этого требуется особая молекула тРНК, называемая инициаторной
РНК. Инициаторная тРНК поставляет аминокислоту, с которой должен начаться синтез
полипептидной цепи. Роль этой аминокислоты всегда играет метионин или (у прокариот
его аминоформилированное производное). У эукариот малая субъединица рибосом
нагружается инициаторной тРНК, прежде чем присоединиться к мРНК. С инициаторной
тРНК прочно связывается важный фактор инициации, называемый эукариитическим фактором инициации 2 (eIF-2); он необходим для того, чтобы инициаторная тРНК заняла правильное положение на малой субъединице рибосомы. В некоторых клетках от этого фактора зависит общая скорость белкового синтеза.
У эукариот на каждой молекуле мPHKсинтезируется только один вид полипептидных цепей.
В молекуле «РНК имеется обычно много триплетов AUG, и каждый из них кодирует метионин. Однако у эукариот лишь один из этих триплетов AUG выступает в качеств старт-кодона. Как рибосома узнает этот старт-кодон?
Молекулы эукариотических мPHK (за вычетом тех, которые синтезируются в
митохондриях и хлоропластах) сразу же по завершении транскрипции подвергаются в
клеточном ядре весьма существенным модификациям. Два главных изменения такого род
состоят в добавлении к 5'-концу особой структуры, так называемого кэпа, состоящего из
остатка 7-метилгуанозина, связанного с трифосфатом, а к З'-концу - фрагмент, состоящий
приблизительно из двухсот остатков адениловой кислоты (poIyA). Играет ли polyA какую-нибудь роль в процессе трансляции, мы пока не знаем. Что же касается кэпа на 5'-конце, то он необходим для эффективного белкового синтеза. Опыты с экстрактами эукариотических клеток показали, что малая рибосомная субъединица присоединяется к 5'-концу цепи мPHK, чему способствует узнавание ею 5'-кэпа. Затем эта малая субъединица, несущая связанную с ней инициаторную тРНК, перемещается вдоль цепи иРНК в поисках старт-кодона AUG;
Требования к старт-кодону не являются, по-видимому, слишком жесткими: необходимо всего лишь несколько дополнительных нуклеотидов помимо самого триплета AUG. У большинства видов РНК используется первый подходящий кодон AUG поблизости от 5'-конца, при этом ни один из многих других триплетов AUG в цепи мРНК служить точкой инициации полипептидной цепи уже не может. Поэтому на данной молекуле мРНК синтезируется, как правило, лишь один какой-нибудь вид полипептидной цепи.
2.2. ЭЛОНГАЦИЯ
PI1БОСОМА ПРОДВИГАЕТСЯ ШАГ ЗА ШАГОМ ВДОЛЬ ЦЕП1 мPHK.
В рибосоме имеются три различных участка, с которыми связывается РНК, - один для мРНК и два для тРНК. Из двух последних один участок удерживает молекулу тРНК. присоединенную к растущему концу полипептидной цепи (поэтому его называют пептидил-тРНК-связывающим участком или Р-участком), а второй служит для удержания только что прибывшей молекулы тРНК, нагруженной аминокислотой; его называют аминоацил-тРНК-связываюшпм участком или А-участком. К обоим участкам молекула тРНК прочно прикрепляется лишь в том случае, если её антикодон спаривается с комплементарным ему колоном иРНК. А- и Р-участки располагаются очень близко друг к другу, так что две связанные с ними молекулы тРНК спариваются с двумя соседними колонами в молекуле мРНК.
Процесс наращивания (элонгации) полипептидной цепи на рибосомах может рассматриваться как цикл, слагающийся из трех отдельных этапов:
· На первом этапе молекула аминоацил - тРНК связывается со свободным участком рибосомы, примыкающим к занятому Р-участку. Связывание осуществляется путем спаривания нуклеотидов антикодона с тремя нуклеотидами мРНК, находящимися в А-участке.
· На втором этапе карбоксильный конец полипептидной цепи отделяется в Р-участке от молекулы тPHK, образует пептидную связь с аминокислотой, присоединенной к молекуле тРНК в А-участке. Эта реакция катализируется пептидилтрансферазой-ферментом, активность которого зависит от целостности рибосомы, а также, как полагают, от участия некоторой специфической области в главной молекуле рРНК большой субъединицы рибосомы.
· На третьем этапе новая пептидил-тРНК переносится в Р-участок рибосомы, в то время как рибосома продвигается вдоль молекулы иРНК ровно на три нуклеотида. Этот этап требу затраты энергии; движущей силой служит для него ряд комформационных изменений индуцируемых в одном из компонентов рибосомы гиролизом связанной с ним молекулы GTP.
Процесс транслокации, составляющий третий этап, включает в себя и возвращен свободной молекулы тРНК, отделявшейся от полипептидной цепи в Р-участке во време второго этапа, в цитоплазматический пул тPHK. Поэтому после завершения третьего эта незанятый А-участок может принять новую молекулу тРНК, нагруженную очередной аминокислотой, т.е. цикл может начаться снова. В бактериальной клетке продолжительное одного цикла элонгации полипептидной цепи составляет при оптимальных условиях около 1/20 с, так что синтез среднего по размерам белка, состоящего из 400 аминокислот, занимает приблизительно 20с. Рибосомы продвигаются вдоль молекулы мРНК в направлении 5', 3',т.е. в том же направлении, в каком идет синтез РНК.
В большей части клеток синтез белка - самый энергоемкий из всех биосинтетических процессов. Образование каждой новой пептидной связи сопровождается расщеплением меньшей мере четырех высокоэнергетических фосфатных связей. Две из них расходуются то, чтобы нагрузить аминокислотой молекулу тРНК, а две - на сам синтез в цикле реакции, протекающих на рибосоме: при связывании аминоацил-тРНК на первом этапе цикла и при транслокации рибосомы на третьем этапе.
2.3. ТЕРМИНАЦИЯ
БЕЛКОВАЯ ЦЕПЬ ОТДЕЛЯЕТСЯ ОТ РИБОСОМЫ, КАК ТОЛЬКО 01 ДОСТИГАЕТ ОДНОГО ИЗ ТРЕХ ТЕРМИНИРУЮЩИХ КОДОНОВ.
Из 64 возможных кодонов мРНК три, а именно UAA UAG и UGA, являются терминирующими или стоп-кодонами: они останавливают трансляцию. Особые цитоплазматические белки, называемые факторами освобождения, непосредственно связываются с любым стоп-кодоном, достигшем А-участка рибосомы. Это связывание изменяет активность пептилтрансферазы. Фермент с измененной активностью присоединяет, теперь к пептидил-тРНК не аминокислоту, а молекулу воды. Вследствие этого карбоксильный конец растущей полипептидной цепи отделяется от молекулы тРНК. А поскольку растущий полипептид удерживается на рибосоме только посредством его связи с молекулой тРНК, завершенная белковая цепь оказывается свободной и , отделившись от рибосомы, немедленно поступает в цитоплазму . После этого рибосома освобождает мРНК и распадается на две субъединицы; эти субъединицы могут затем объединиться на другой молекуле мРНК начать новый цикл белкового синтеза.
Пострансляционная модификация белка заключается в частичном протеолизе, формировании пространственной структуры, присоединения небелковых групп.
Регуляция биосинтеза белка индукцией или репрессией происходит на генном уровне ДНК генами- регуляторами, действием дальних перед промотором областей энхастеров (усилителей) или сайленсеров (тушителей) экспрессии, амплификацией (увеличение копий в определенных условиях).
В результате перемещения генов между хромосомами происходит генетическая рекомбинация, обеспечивающая образование полиморфных белков, которые могут быть и результатом генетической изменчивости в результате молекулярных мутаций, сопутствующих биологической эволюции.
Наследственные болезни - результат дефектов в генотипе, предрасположенность к которым в настоящее время можно обнаружить, используя современные технологии (полимеразная цепная редакция, использование рестриктаз и изучение полиморфизма длины рестракционных фрагментов). Конкретные примеры наследственных болезней рассматриваются в соответствующих разделах (гликогенозы, энзимопатии, нарушения обмена аминокислот и т.д.).