Синтез белков

Матричный синтез белков происходит из аминокислот в рибосомах клеток ферментативным путем в соответствии с информацией, заложенной в ДНК о последовательности включения определенного числа аминокислот в образуемую полипептидную цепь белка.

Весь процесс синтеза белков можно подразделить на три основных этапа. На первом этапе, именуемом транскрипцией («переписыванием»), происходит синтез молекул информационных и-РНК на матричный ДНК. В и-РНК «переписывается» код, с помощью которого кодируется белок, и‑РНК поступают в рибосомы. Таким путем происходит передача информации о строении синтезируемого белка в места их непосредственного образования. Второй этап, обозначаемый термином рекогниция («узнавание»), заключается в соединении предварительно активированных аминокислот, необходимых для синтезируемых полипептидных цепей белка, со специфическими транспортными РНК (т‑РНК) и доставке их в таком виде в рибосомы. Наконец, третий этап – трансляция («перевод») состоит в переводе нуклеотидной последовательности и‑РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи в процессе синтеза белка на рибосоме.

Стадия трансляции собственно и является непосредственным синтезом белка, происходящим на рибосоме.

Разберем эти этапы более подробно. Ранее уже говорилось, что ДНК, находящаяся у эукариотов в ядрах клеток, а у прокириотов в цитоплазме, хранит и передает наследственную информацию закодированную в виде определенной последовательности мононуклеотидов (собственно – их азотистых оснований) в полинуклеотидной цепи.

Порядок нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК диктует расположение аминокислот в полипептидной цепи закодированного таким образом белка и тем самым сохраняет его специфичность, отличие от других белков.

Это возможно потому, что каждая аминокислота кодируется определенным сочетанием трех нуклеотидов (трех азотистых оснований), получивших название кодон или триплет и считающихся единицей кодирования.

Известно, что число видов аминокислот, входящих в состав белков, равно двадцати, а число различных оснований в ДНК равно четырем. При наличии триплетного кода четырьмя основаниями можно закодировать 4³=64 аминокислоты. Эта система кодирования оптимальна.

В настоящее время составлен словарь генетических символов, т.е. перечень кодонов для 20-ти аминокислот.

Код является универсальным, так как свойственен организмам любого типа. Для кода характерно:

1. Универсальность.

2. Триплетность.

3. Специфичность.

4. Вырожденность.

5. Неперекрываемость.

6. Колинеарность.

В последнее время появились доказательства того, что код эволюционировал, что он не сразу возник таким, какой он есть. У митохондрий выявлен свой собственный генетический код.

Сочетание кодонов в виде участка ДНК, несущего информацию о структуре какой-либо конкретной полипептидной цепи белка получило название ген или цистрон. Цистрон – сочетание кодонов кодирующих одну полипептидную цепь. Ген – сочетание кодонов, кодирующих молекулу белка, состоящую из нескольких полипептидных цепей.

Из генов образуется геном. Расшифрован геном человека, содержащий 25-30 тыс. генов (состоящий из 3,5*10⁹ пар оснований).

Информация, записанная в гене, передается информационной РНК (и‑РНК) путем ее синтеза на данном участке ДНК, осуществляемого ферментом ДНК-зависимой-РНК-полимеразой. Фермент присоединяется к служебной зоне ДНК (промотору) и, двигаясь вдоль нити ДНК, осуществляет сборку молекулы и-РНК по принципу комплементарности азотистых оснований из 4 типов рибонуклеозид-5’-трифосфатов, переписывая весь транскриптон.

Естественно поэтому, что и-РНК, синтезированная на одной нити ДНК, точно соответствует второй комплементарной нити ДНК, конечно, с заменой дезоксирибозы на рибозу, а тимина – на урацил, образуется так называемая пре-и-РНК (первичный транскрипт).

Величина и-РНК бывает различной в зависимости от длины закодированной в ней полипептидной цепи.

У эукариотов и-РНК, помимо части, кодирующей первичную структуру синтезируемого белка (экзоны) содержит некодирующие участки (служебные зоны) – интроны. Синтезированная и-РНК затем теряет неинформационные участки, метилируется и подвергается другим изменениям, что получило название «созревание» (процессинг). Считается, что процессинг и-РНК включает три основных процесса: 1) кепирование – химическая модификация 5’-концевой последовательности и-РНК; 2) сплайсинг – удаление не кодирующих интронных последовательностей из и-РНК и связывание образующихся экзонов; 3) полиаденилорование - химическая модификация 3’- концевой последовательности и-РНК. Иначе говоря с 3’-конца и-РНК присоединяет полиаденилат (до 250 нуклеотидов), а с 5’-конца – так называемый «кеп» (шапку) из 2‑3 метилированных нуклеотидов с концевой 7-метилгуаниловой кислотой. Предполагают, что такие изменения предохраняют и-РНК от ферментативного разрушения, способствуют связыванию и-РНК с рибосомой и инициируют трансляцию. «Зрелая» и-РНК связывается с особым белком – информатином, образуя рибонуклеопротеидный комплекс – информосому, которая в цитоплазме соединяется с рибосомами, образуя полисому, и уже здесь последовательность кодонов и-РНК непосредственно определяет, какие именно аминокислоты и в какой последовательности будут включаться в синтезируемую полипептидную цепь, т.е. и-РНК в рибосоме (полисоме) выступает в роли матрицы при синтезе белка.

Синтез белка протекает на поверхности рибосомы из активированных аминокислот, поступающих из цитоплазмы.

Активация аминокислот происходит в цитоплазме при участии АТФ и специфического фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы. Реакция протекает в два этапа. В результате первого этапа образуются аминоациладенилат, имеющий макроэргичеокую связь с 5’-фосфатной группой АМФ и пирофосфат.

Второй этап состоит в переносе аминоацильной группы с АМФ на транспортную РНК (т-РНК), находящуюся в цитоплазме.

Активирующие аминоацил-т-РНК-синтетазы высокоспецифичны как в отношении аминокислоты, так и в отношении соответствующей т-РНК.

Для каждой аминокислоты имеются специфические т-РНК более чем одного типа. В этой связи в соответствии числу аминокислот, входящих в состав белков, каждая клетка содержит набор из не менее 20-ти различных т-РНК.

Строение т-РНК имеет некоторые особенности – наличие минорных оснований (алкилированных, восстановленных, серусодержащих и др. нуклеотидов). Наличие минорных оснований в т-РНК, согласно С. Берестеня (1992), служит способом защиты т-РНК от ферментативного разрушения.

В отличие от и-РНК и р-РНК транспортная РНК имеет трехмерную спиральную структуру. Несмотря на то, что т-РНК для различных аминокислот существенно различаются по последовательности нуклеотидов, для всех т‑РНК с известным строением имеется общая конформация, так называемая конформация клеверного листа. Это связано с тем, что три области полинуклеотидной цепи т-РНК складываются, образуя петли, напоминающие по очертанию форму клеверного листа.

В структуре т-РНК имеется несколько биологически важных участков. Так установлено, что все молекулы т-РНК содержат на одном конце одну и ту же последовательность нуклеотидов (ЦЦА) – это т.н. акцепторный участок. Концевой остаток этой последовательности – адениловая кислота – своей свободной 2’- или 3’-гидроксильной группой образует эфирную связь с аминоацильной группой, переносимой от аминоациладенилата в процессе транспортировки активированной аминокислоты к рибосоме.

На другом конце т-РНК выявлен особый триплет (различный у различных т‑РНК), который выполняет функцию антикодона, т.е. является специфическим триплетом, комплементарным соответствующему триплету – кодону и‑РНК. Между антикодоном т-РНК и кодоном и-РНК могут возникать водородные связи, благодаря чему в процессе синтеза белка транспортируемая к рибосоме транспортной РНК аминокислота может занять правильное положение в растущей полипептидной цепи.

Наконец, в молекуле т-РНК содержится специфический участок, позволяющий активирующему ферменту (аминоацил-т-РНК-синтетазе) узнавать т‑РНК и связываться с ней (псевдоурациловый участок).

Отдельные молекулы т-РНК с соответствующими аминокислотами подходят друг за другом к полисоме и присоединяются своими антикодонами к соответствующим кодонам и-РНК.

Предполагается, что отдельные рибосомы движутся вдоль молекулы и-РНК, с которой связывается аминоацил-т-РНК, и как бы считывая заключенную в ее кодонах информацию, синтезируют по мере своего продвижения полипептидную цепь из доставленных т-РНК аминокислот. Иначе говоря, осуществляется перевод нуклеотидной последовательности и-РНК в аминокислотную последовательность синтезируемой полипептидной цепи, что получило название этапа трансляции. В этой трансляции выделяют три этапа: инициации, элонгации и терминации. Начало белкового синтеза называют инициацией. Пептидная цепь строится, начиная со своего N-конца в направлении С-конца. Синтез полипептидной цепи (например, у E. coli) начинается всегда с метионина как N-концевой аминокислоты, включающейся в синтез белка на рибосоме в виде N-формилметионил-т-РНК (инициирующая аминоацил-т-РНК). У эукариотов синтез начинает метионин-т-РНК. На рибосоме различают два участка: один из них связан с удлиняющейся цепью полипептида (так называемый пептидильный участок или П-участок), а второй присоединяет каждый раз новую аминоацил-т-РНК (так называемый аминокислотный участок или А-участок). Инициация биосинтеза белка у бактерий происходит при участии молекул ГТФ и трех белковых факторов инициации, обозначаемых F₁, F₂, F₃. Фактор F₃ обеспечивает узнавание зоны и-РНК, где находится инициирующий кодон. Он связывается (взаимодействует) с малой рибосомной субъединицей (30 S‑субъеди­ницей) и препятствует ассоциации малой и большой субъединиц рибосомы без участия и-РНК.

Фактор F₁ способствует связыванию инициирующего N-формилметионин – т-РНК с малой субъединицей рибосомы и и-РНК (ее инициирующим кодоном).

Фактор F₂ – вероятнее всего, способствует объединению малой и большой субъединиц рибосомы после того, как малая субъединица связывается с инициирующим кодоном и-РНК, N-формилметионин – т-РНК, факторами F₁ и F₃ и ГТФ. Фактор F₂ рассматривается как фактор стабилизации всего инициирующего комплекса.

Образуется функционально активная рибосома, в которой N-формилметионил-т-РНК располагается в П-участке рибосомы. Все процессы идут с участием ГТФ, гидролиз которого до ГДФ обеспечивает процесс энергией. Описанный сложный процесс инициации нужен для того, чтобы рибосомы не начали строить полипептидную цепь с середины. В клетках эукариот инициация белкового синтеза идет сходным образом при участии также трех факторов инициации. У эукариот их открыто 10, однако из них три белковых фактора абсолютно необходимы. Это F₂, F₃, F₅. Изучена их структура и молекулярная масса. Кроме того, среди 10 белковых факторов выделяют еще один – КЭП-связывающий белок. Он связывается с 5’-участком и-РНК и содействует образованию комплекса между и-РНК и малой субъединицей рибосомы.

Далее осуществляется последовательная установка аминокислот на свои места и их связывание в полипептидную цепь, что обозначается как этап элонгации. Аминокислоты поступают на полисомы в виде аминоацил-т-РНК. Последние взаимодействуют своими антикодонами с кодонами и-РНК. В процессе элонгации принимают участие ГТФ и несколько факторов, катализирующих три этапа элонгации. В начале группа факторов элонгации образует комплекс с ГТФ и аминоацил-т-РНК, что обеспечивает присоединение последней к А-участку функционально активной рибосомы в соответствии с кодоном белкового синтеза. Затем рибосомный фактор элонгации - фермент пептидилтрансфераза переносит пептидил-т-РНК (первоначально N-формилметионил-т-РНК) из П-участка в А‑участок рибосомы с присоединением полипептида (первоначально N‑формилметионил-т-РНК) к аминоацил-т-РНК с высвобождением т-РНК. Полипептидная цепь удлиняется на одно аминокислотное звено. В последующем особый фактор элонгации – транслоказа – вызывает перемещение (транслокацию) рибосомы вдоль и-РНК точно на один триплет по направлению к 3’-концу и-РНК. В ходе этого перемещения удлиннившаяся пептидил-т-РНК снова оказывается в П-участке рибосомы, тогда как А-участок полностью освобождается и готов взаимодействовать с новой аминоацил-т-РНК, связываясь с соответствующим кодоном и‑РНК. Описанные реакции повторяются.

Терминация белкового синтеза в рибосоме осуществляется также при участии особых белковых факторов терминации (релизинг-факторов) и ГТФ. Как только напротив А-участка рибосомы окажется терминирующий кодон и-РНК (УАА, УАГ или УГА), к нему присоединяется один из факторов терминации, что блокирует возможность присоединения молекулы аминоацил-т-РНК. У прокариот имеется два фактора терминации. Фактор F₁ узнает терминирующие кодоны УАГ и УАА, а фактор F₂ – УГА и УАА. У эукариотов открыт единственный фактор терминации, узнающий все три кодога УАА, УГА и УАГ. К тому же терминирующим кодонам не соответствует ни один из антикодонов в т-РНК. Под влиянием пептидилэстеразной активности рибосомных белков происходит разрыв сложноэфирной связи между образованным полипептидом и т-РНК. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее и поступает в цитоплазму. Одновременно освобождается т-РНК от и-РНК, а рибосома распадается на субъединицы, поступающие в общий пул рибосом и их субъединиц, откуда они черпаются для нового синтеза белковой молекулы. Считается, что в полисомах каждая рибосома независимо друг от друга считывает и-РНК и синтезирует белок. Рибосомы перемещаются по и-РНК довольно быстро, наращивая по 5-15 аминокислот в секунду. Синтезированная полипептидная цепь далее в цитоплазме подвергается модификации, возможно, что при этом отщепляется и концевой метионин и присоединяются аминокислотные фрагменты, происходят реакции гидроксилирования, метилировани, карбоксилирования, фосфорилирования радикалов, а в ряде случаев присоединяется простетическая группа.

В цитоплазме синтезированные полипептидные цепи приобретают дисульфидные и водородные мостики и образуют молекулы белка со вторичной и тритичной структурой. Появление вторичной и третичной структуры белка не требует, как предполагают, участия дополнительных энзимов или особых генетических контрольных факторов.

Специфическое пространственное расположение полипептидной цепи предопределяется первичной структурой белковой молекулы, является термодинамически свободным процессом, протекающим как считали ранее самопроизвольно. Однако появились данные, что в формировании пространственной тритичной структуры участвуют внутриклеточные молекулярные механизмы, которые мало изучены (белки -шапероны). Надо также сказать, что появились данные, свидетельствующие о том, что вторичная структура синтезируемого белка начинает формироваться уже в процессе сборки полипептидной цепи на рибосоме.

Следует заметить, что этапы передачи генетической информации у всех живых клеток одинаковы, но временные и пространственные их взаимоотношения различны для прокариотов и эукариотов. Различие объясняется тем, что в клетках последних (эукариот) ДНК находится в ядре, отгороженном от цитоплазмы мембраной, а в клетках прокариотов ядра нет совсем. Поэтому синтез и-РНК и белка (т.е. транскрипция и трансляция) у них идут одновременно. У эукариотов эти два процесса строго разделены в пространстве и времени: транскрипция ДНК в различные и-РНК происходит в ядре, после чего и-РНК мигрирует через ядерную мембрану в цитоплазму клетки и вступает в связь с рибосомами, где происходит синтез белка. В клетках эукариотов синтез белка обычно протекает на рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью, с помощью которой происходит транспорт и секреция синтезированного белка.