Рибосома расходует на образование одной пептидной связи. Пептидная связь. Вопросы для самостоятельной работы

Первая пептидная связь возникает за счет реакции транспептидации, в ходе которой метионин от инициаторной тРНК переносится на a-аминогруппу аа-тРНК в А-центре с образованием дипептидил-тРНК. Катализирует пептидилтрансферазную реакцию рРНК большой субъединицы рибосомы.

Транслокация. В ходе этой стадии за счет энергии GTP и при участии фактора элонгации EF2 рибосома перемещается на один кодон в направлении от 5"- к З"-концу мРНК. В результате дипептидил-тРНК из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон. тРНКМет покидает рибосому. Далее процесс продолжается по описанной схеме, повторяя стадии 1-»2-»3.

Терминация трансляции происходит после включения в А-центр одного из кодонов терминации: UAG, UGA, UAA. При участии специальных белков -3 факторов терминации (RF1, RF2 и RF3) -происходит гидролитическое отщепление синтезированного полипептида от тРНК. тРНК высвобождается из рибосомы за счет гидролиза GTP, и «пустая» рибосома легко диссоциирует на субъединицы.

В процессе трансляции малая и большая субъединицы рибосомы выполняют разные функции малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма транслокации, большая субъединица ответственна за образование пептидных связей. Основной вклад в организацию и проявление пептидилтрансферазной активности вносит рРНК.

Много рибосом могут одновременно участвовать в трансляции одной мРНК. Каждая рибосома занимает участок, равный примерно 80 нуклеотидам мРНК. Таким образом, рибосомы располагаются на мРНК с интервалами около 100 нуклеотидов, образуя комплекс, называемый полисомой.

Функционально активные белки образуются в результате посттрансляционных модификаций полипептидных цепей, синтезированных на рибосомах. Эти модификации включают:

А. Частичный протеолиз.

Б. Модификации аминокислот: карбоксилирование, фосфорилирование, йодирование, гидроксилирование, ацилирование и гликозилирование.

В. Формирование пространственной структуры, или фолдинг, в котором принимают участие белки-шапероны, обеспечивающие правильную укладку полипептидной цепи.

Г. Образование дисульфидных связей между остатками цистеина, участвующими в формировании трехмерной структуры белка.

Д. Присоединение простетических групп.

Е. Образование олигомерных структур, которое также осуществляется при участии шаперонов

Подавление матричных биосинтезов может быть достигнуто либо путем структурной модификации матрицы и рибосомх, либо путем инактивации ферментов. Прекращение синтеза ДНК, РНК или белка вызывает гибель всех клеток, поэтому многие ингибиторы матричных биосинтезов являются ядами для организма человека.

a-Аманитин - токсин, который содержится в теле белой поганки Amanita phalloides и ингибирует эукариотические РНК-полимеразы, в особенности РНК-полимеразу II. Энтеротоксин возбудителя дифтерии является специфическим ингибитором трансляции у эукариотов, блокрируя один из факторов элонгации.

Антибиотики, подавляющие процесс транскрипции и трансляции и специфичные в отношении белоксинтезирующей системы прокариотов, могут использоваться как антибактериальные препараты, а антибиотики, нарушающие матричную функцию ДНК, нашли применение при лечении злокачественных новообразований и являются противоопухолевыми препаратами (например, доксорубицин, дауномицин) .

В последние годы проводятся исследования по созданию препаратов, обеспечивающих доставку ингибитора только в опухолевые клетки. Это достигается связыванием цитотоксических антибиотиков с белками, рецепторы к которым имеются главным образом на опухолевых клетках.

Некоторые антибиотики - рифампицин, эритромицин, тетрациклин и др. - селективно ингибируют синтез РНК или белка в бактериальных клетках, практически не влияя на белковый синтез в клетках млекопитающих. Высокая избирательность этой группы соединений объясняется различиями в структуре РНК-полимераз и рибосом эукариотических и прокариотических клеток. Например, эритромицин ингибирует транслокацию, тетрациклин - связывание аа-тРНК в А- центре.

Многие вирусы, например вирусы оспы, гриппа и полиомиелита, попадая в организм человека, выключают синтез ДНК, РНК и белков в клетках организма хозяина и переключают РНК и белок-синтезирующий аппарат на репродукцию вирусных нуклеиновых кислот и белков.

Защиту организма от вирусных инфекций обеспечивают интерфероны. Семейство этих белков синтезируется в клетках эукариотов в ответ на заражение вирусом. Они через торможение фактора инициации eIF2 прекращает работу белоксинтезирующего аппарата. Интерфероны повышают активность рибонуклеазы, расщепляющей матричные и рибосомные РНК клетки, что также снижает синтез белка в инфицированных клетках.

Адаптация организмов к различным воздействиям окружающей среды осуществляется, в частности, путем изменения экспрессии (активности) генов. Этот процесс, в деталях изученный на бактериях и вирусах, включает взаимодействие специфических белков с участками ДНК в непосредственной близости от стартового участка транскрипции. Эукариотические клетки используют этот же принцип, хотя в регуляции экспрессии генов реализуются и некоторые другие механизмы.

У прокариотов определенные белки связываются с регуляторными участками оперона и предотвращают или усиливают связывание РНК-полимеразы с промотором.

Если оперон регулируется по механизму индукции (например, лактозный оперон), то в отсутствие индуктора (лактозы) белок-репрессор связан с оператором. Поскольку участки оператора и промотора перекрываются, то присоединение репрессора к оператору препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и транскрипция структурных генов оперона не идет. Когда индуктор появляется в среде, он присоединяется к белку- репрессору, изменяет его конформацию и снижает сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены.

При регуляции оперона по механизму репрессии (например, гистидиновый или триптофановый опероны) белок-репрессор не имеет сродства к оператору. Когда к белку-репрессору присоединится небольшая молекула - корепрессор (гистидин или триптофан), то в результате происходящих в белковой молекуле конформационных изменений комплекс белок-репрессор-корепрессор приобретает сродство к оператору и прекращает транскрипцию.

В клетках млекопитающих существуют два вида регуляции биосинтеза белков:

Кратковременная, обеспечивающая адаптацию организма к возможным изменениям окружающей среды;

Длительная, стабильная, определяющая дифференцировку клеток и разный белковый состав органов и тканей.

В хроматине разных органов и тканей наряду с огромными транскрипционно неактивными или стабильно репрессированными участками имеются активные или потенциально активные участки. За малым исключением (лимфоциты), каждая клетка организма содержит один и тот же набор генов. Существование специализированных органов и тканей зависит от дифференциальной экспрессии генов, это означает, что в дифференцировании клетках разных тканей транскрибируются разные участки хроматина.

Рис.4 Адаптивная регуляция транскрипции.

Адаптивная регуляция у высших организмов отличается от регуляции транскрипции у прокариотов многообразием сигналов, которые контролируют 1. начало процесса на молекуле ДНК, 2. частоту, с которой он происходит.

ТАТА-участок промотора присоединяет ТАТА-связывающий белок (ТАТА-фактор), факторы транскрипции А и В, которые обеспечивают взаимодействие с РНК-полимеразой и определяют стартовую точку транскрипции (рис 4).

Минимальный синтез мРНК становится возможным после связывания РНК-полимеразы с транскрипционными факторами F, Е, Н.

Если, кроме указанных компонентов, с ТАТА-связывающим белком образуют комплекс белки, присоединенные к регуляторным участкам ДНК, то скорость транскрипции меняется. Она возрастет, если это будут белки-активаторы, обеспечивающие взаимодействие с энхансерами (усилителями), и снижается, если к ТАТА-связывающему белку присоединится белок, взаимодействующий с участком сайленсера (тушителя транскрипции).

Регуляторные зоны ДНК - энхансеры и сайленсеры - различны по числу и расположению на молекуле ДНК для разных генов в разных тканях, т.е. являются тканеспецифическими характеристиками. Они могут располагаться за тысячи нуклеотидных пар от стартовой точки транскрипции перед, после или внутри гена, связывать комплексы белков с метаболитами или гормонами и влиять на конформацию гена.

Естественный отбор и биологическая эволюция невозможны без генетической изменчивости, которая возникает за счет мутаций и рекомбинаций в процессе мейоза. В последнем случае происходит обмен участками ДНК между гомологичными хромосомами родителей. Мутации - это нерепарированные изменения первичной структуры ДНК, появляющиеся в молекуле в ответ на дефекты в paботе ДНК-полимераз или ДНК-репарирующей системы, воздействия внешней и внутренней среды. 2. Точечные мутации в основном бывают трех видов:

Замены (это наиболее распространенный тип повреждений молекулы ДНК; (Различают 2 типа замены оснований: транзиции и трансверсии. Под транзициями понимают замену пуриновых оснований на пуриновые и пиримидиновых на пиримидиновые (Т-С и A-G). Трансверсиями называют замену пуриновых оснований на пиримидиновые и наоборот. Другой причиной замены оснований является ошибочное включение в цепь ДНК химически измененное основание (или модифицированное основание). Следует отметить, что генные мутации по типу замены оснований происходят либо до репликации, либо в процессе репликации. Если эти изменения не исправляются в процессе репарации, то они становятся достоянием сначала одной, а затем и двух цепей ДНК. Следовательно, источником возникновения этой категории мутаций являются ошибки в процессах репликации или репарации).

Вставки;

Делеции (или выпадения) нуклеотидов

Каждый тип мутации вызывает разные последствия. Так, замена нуклеотида:

Может быть «молчащей» и не проявиться в белке, если кодирующий триплет, в котором находится мутантный нуклеотид, из-за вырожденности кода обеспечивает включение в белок той же аминокислоты, что исходный кодон;

Может сопровождаться включением в белок одной измененной аминокислоты (миссенс-мутация). Такого типа мутации возникают при действии алкилирующих агентов.(Алкильная группа присоединяется к N7 пуринового кольца гуанина, изменяя его ионизацию и характер связывания с другим нуклеотидом в комплементарной паре. В результате против алкилированного гуанина встает тимин, а следовательно, в последующем поколении параG-C заменяется А-Т).

Может привести к образованию «терминирующего» кодона (нонсенс-мутация), на котором работа белоксинтезирующего аппарата будет остановлена и образуется укороченный вариант белка.

Делеции и вставки также приводят к неоднозначным результатам:

Если включается или выпадает один нуклеотид или участок ДНК, в котором число нуклеотидов не кратно 3, то происходит сдвиг рамки считывания информации и при трансляции вся информация, расположенная за местом мутации, читается неверно. Возникает белок, у которого за местом мутации расположена случайная последовательность аминокислот. Такого типа мутации вызывают вещества, ин-теркалирующие между азотистыми основаниями молекулы ДНК;

Если выпадает или включается в ДНК участок с длиной цепи, кратной 3, то сдвига рамки считывания информации не происходит (деления или вставка без сдвига рамки считывания информации). Белок, который зашифрован такой матрицей, будет либо укорочен (при делении), либо удлинен (при вставке) на одну или несколько аминокислот.

3. В большинстве случаев мутации влияют на экспрессию или структуру генов, что проявляется в снижении количества или изменении структуры белкового продукта, а следовательно, и его функциональной активности. Иногда снижение или полное отсутствие белка является результатом мутаций в регуляторных участках генов.

Следовательно, при генных мутациях схема такова: в результате генной мутации (молекулярный дефект) возникает патологический первичный эффект, это приводит к каскаду биохимических нарушений в клетках, органе и организме. Такая последовательность событий лежит в основе генных болезней. Отмечено 4 варианта патологических первичных эффектов.

Первый вариант связан с выработкой избыточного количества продукта вследствие усиления генной активности.

Второй вариант связан с выработкой аномальных белков. Это приводит к нарушению в той системе, работу которой обеспечивает данных белок.

Например, (вследствие замены одной аминокислоты) при серповидно-клеточной анемии синтезируется аномальный гемоглобин, который обладает пониженной растворимостью, способностью к полимеризации. В результате при недостатке кислорода такой гемоглобин быстро кристаллизуется, эритроциты приобретают форму серпа, быстро склеиваются, что приводит к закупорке капилляров.

Третий вариант связан с отсутствием первичных продуктов. Это наиболее распространенный вариант. В результате отсутствия того или иного белка (чаще всего фермента) биохимические реакции с его участием не проходят. Это приводит к накоплению продуктов-предшественников, чаще всего токсичных. Например, при фенилкетонурии не происходит превращение фенилаланина в тирозин из-за отсутствия соответствующего фермента. В результате нарушается синтез миелиновой оболочки в аксонах ЦНС, на уровне организма развивается тяжелая форма умственной недостаточности. Другим примером отсутствия белков является дефицит ферментов системы репарации или репликации. Это приводит к развитию злокачественных новообразований.

Четвертый вариант - это выработка уменьшенного количества продукта, например, белков. Это приводит к их недостатку в организме и к отклонениям в обмене веществ.

Для перевода информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов, на язык аминокислотной последовательности белка существует генетический код. Каждой аминокислоте соответствует три соседних нуклеотида (триплет, кодон ). Почти каждая из 20 протеиногенных аминокислот кодируется несколькими триплетами, т.е. генетический код вырожден . Генетический код универсален ; за редким исключением, у всех организмов одни и те же аминокислоты кодируются одинаковыми триплетами.

Для того, чтобы аминокислота использовалась рибосомами для синтеза белка, она должна быть присоединена к молекуле транспортной РНК (тРНК). Присоединение катализирует фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Аминокислота может присоединяться только к своей специфичной тРНК. Молекула тРНК имеет небольшие размеры (74-95 н.о.), образует характерную вторичную структуру в виде «клеверного листа» за счет внутрикомплементарных взаимодействий. Особый участок молекулы тРНК содержит антикодон – триплет, соответствующий акцептируемой аминокислоте и комплементарный кодону мРНК для этой аминокислоты (рис. 27). Молекула аминокислоты присоединяется к 3’-акцепторному концу своей молекулы тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. То есть благодаря структуре молекулы тРНК каждая аминокислота приводится в соответствие определенному триплету. Таким образом, именно молекула тРНК является тем «переводчиком», который «расшифровывает» генетический код, переводя его в аминокислотную последовательность.

Рис. 27. Структура молекулы тРНК

Синтез белка происходит на рибосомах. Рибосома представляет собой сложный нуклеопротеидный комплекс, состоит из двух субъединиц, малой и большой.

Процесс синтеза белка включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Рибосома связывается с мРНК и движется по ней до инициаторного кодона, с которого непосредственно начинается синтез белка. Инициаторным кодоном чаще всего служит AУГ-кодон (реже ГУГ или УУГ). Синтез полипептидной цепочки начинается с аминокислоты метионина. В инициации трансляции также принимает участие ряд белковых факторов и молекула ГТФ. После присоединения аминокислоты метионин рибосома движется по матрице, присоединяя последовательно аминокислотные остатки к растущей полипептидной цепочке. Схема элогационного цикла рибосомы, состоящего из процессов связывания, транспептидации и транслокации, представлена на рис. 28. Малая субъединица рибосомы содержит два участка связывания: А (аминоацил-тРНК-связывающий) и Р (пептидил-тРНК-связывающий). В А-участке происходит связывание молекулы тРНК, несущей аминокислоту, в Р-участке находится тРНК, связанная с растущей полипептидной цепочкой. На стадии связывания в А-участок поступает молекула тРНК, несущая аминокислоту, соответствующую кодону мРНК, находящемуся в этом участке. Антикодон тРНК соединяется с этим кодоном по принципу комплементарности. Связывание приводит к ситуации, когда вновь поступившая аминокислота сближается с растущей полипептидной цепочкой, находящейся в Р-участке. При этом большая субъединица рибосомы катализирует реакцию транспептидации (образование пептидной связи). В результате растущая полипептидная цепочка находится в А-участке (присоединена к вновь прибывшей молекуле РНК), чтобы освободить этот участок и поместить в него следующий кодон, происходит реакция транслокации. Свободная тРНК удаляется, а растущий полипептид перемещается в Р-участок. Рибосома переходит как бы в прежнее состояние, но на следующем кодоне матрицы. Трансляция всей молекулы белка представляет повторение таких циклов. В процессе элонгации принимают участие специальные белки, факторы элонгации (EF), и кроме того, процесс элонгации требует энергетических затрат. Для образования одной пептидной связи расходуется две молекулы ГТФ. (Энергия, запасенная в молекуле ГТФ, эквивалентна энергии молекулы АТФ).

Рис. 28. Схема элонгационного цикла рибосомы: А – аминоацил-тРНК-связывающий участок рибосомы, Р – пептидил-тРНК-связывающий участок рибосомы

При продвижении рибосомы освобождается 5¢-конец матрицы и на него может садиться следующая рибосома. Структура, в которой мРНК соединена с многими рибосомами, называется полисомой. Когда рибосома достигает стоп-кодона (УАА, УАГ или УГА), происходит терминация. Для терминации необходимы белковые факторы терминации, этот процесс сопровождается гидролизом ГТФ.

Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пептидными , при этом образуется полимерная молекула. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид ; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид , если более 40 аминокислот – белок .

Пептидная связь – это связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Образование пептидной связи

При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот добавляют суффикс "-ил", только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным. Например, аланил -серил -триптофан или γ-глутаминил -цистеинил -глици н (по-другому называемый глутатион ).

К свойствам пептидной связи относятся:

1. Копланарность

Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи.

2.Транс-положение заместителей

Радикалы аминокислот по отношению к оси пептидной C-N -связи находятся по "разные" стороны, в транс-положении.

3. Две равнозначные формы

Пептидная связь находится в кетоформе и енольной форме.

4. Способность к образованию водородных связей.

Атомы кислорода и водорода, входящие в пептидную группу, обладают способностью образовывать водородные связи с атомами кислорода и водорода других пептидных групп.

5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи.

Длина пептидной связи меньше, чем одинарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено. Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот способна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию (пространственное расположение атомов).

Трансляция-это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) на язык последовательности аминокислот в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5’→3’. В процессе трансляции различают стадии:

1) активация аминокислот;

2) аминоацилирование тРНК;

3) собственно трансляция.

Активация аминокислот . Это процесс присоединения аминокислоты с помощью своей карбоксильной группы к a-фосфату АТР с помощью специфической аминоацил-тРНК-синтетазы (рис. 3.10). Реакция сопровождается высвобождением неорганического пирофосфата и образованием аминоациладенилата (АК-АМР). Аминоацил-аденилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизируется благодаря прочному связыванию с ферментом. Данный процесс характеризуется высокой специфичностью: для каждой аминокислоты существует собственный фермент (ферменты).

Аминоацилирование тРНК . Представляет собой перенос аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоацил-аденилата на 2’- или 3’-ОН-группу концевой рибозы тРНК в акцепторной ветви (рис. 3.11).

Ключевой особенностью реакции, приводящей к аминоацилированию тРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоединение к тРНК каждой из 20 аминокислот, встречающихся в белках, катализируется определенной аминоацил-тРНК-синтетазой. Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19 других и перенести ее к одной или нескольким изоакцепторным тРНК из имеющихся примерно 75 других тРНК. При этом следует подчеркнуть высокое сходство в структуре многих аминокислот (лейцин, валин и изолейцин; валин и треонин; аспарагиновая и глутаминовая кислоты; и др.), а также удивительное сходство вторичной и третичной структур тРНК. Поэтому даже очень высокой специфичности, присущей данным ферментам, оказывается недостаточно, чтобы не допустить ошибок, и синтетазы могут исправлять ошибки, происходящие при присоединении. Это имеет место при гидролизе связи между аминокислотой и АМР в комплексе фермент-aминоацил-аденилат. В таком случае формирование ошибочно аминоацилированной тРНК предотвращается. Напротив, механизм, с помощью которого удалялось бы уже присоединенная к тРНК неправильная аминокислота, отсутствует. В таких случаях аминокислота занимает неправильную позицию в белке. Частота таких ошибок очень низка (например, в гемоглобине кролика 10-5).

Собственно трансляция . Процесс трансляции осуществляется на рибосомах - клеточных органеллах, представляющих собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикрепленными к рибосоме. У прокариот и эукариот рибосомы различаются по величине и составу (рис. 3.12). Коэффициент седиментации рибосом прокариот составляет 70S (S - Сведберг, единица измерения скорости, с которой частица оседает при центрифугировании; 1S=10 -13 с), а у эукариот для рибосом, обнаруживаемых в цитоплазме, он равен 80S.

Рибосомы при определенных условиях могут диссоциировать на большую и малую субчастицы, а каждая субчастица, в свою очередь, на составляющие молекулы белка и РНК (рис. 3.12). Все эти компоненты могут снова ассоциировать с образованием функционально активной рибосомы, если созданы соответствующие условия.

Электронно-микроскопические исследования 70S-рибосом показали, что малая и большая субчастицы соприкасаются в нескольких точках, причем между ними образуется бороздка, необходимая для размещения мРНК во время трансляции. Для понимания процесса трансляции важны два основных в функциональном отношении участка на 70S-рибосоме. Участок (сайт ) А служит для присоединения аминоацил-тРНК, а с сайтом Р связывается растущая пептидная цепь.

В процессе трансляции, кроме аминоацил-тРНК и рибосом, принимает участие большое количество вспомогательных белков-факторов инициации, элонгации и терминации транскрипции.

Суть процесса трансляции состоит в последовательном декодировании мРНК в направлении 5’→3’ с помощью аминоацилированных тРНК, в ходе которого происходит последовательная конденсация аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному (С)-концу. Матричный принцип процесса соблюдается при узнавании комплементарных нуклеотидов в составе очередного кодона мРНК и антикодона тРНК. Наиболее полно трансляция изучена у прокариот, и механизм этого процесса будет рассмотрен на примере трансляции у E. coli.

Инициация трансляции . Считывание мРНК начинается с кодона AUG, который обозначает 5’-конец кодирующей последовательности и детерминирует N-концевую (первую) аминокислоту синтезируемого полипептида. Для инициации трансляции необходимо наличие 30S-субчастицы рибосомы, которая связывается в комплекс с белками - факторами инициации (IF1, IF2, IF3), GTP и Fmet-тРНК. Такой полный комплекс связывается с 5’-концом кодирующей последовательности мРНК вблизи кодона AUG. Очевидно, IF2 способен отличить Fmet-тРНК (формил-метионин-тРНК) от met-тРНК, которая связывается с кодонами AUG во внутренней части мРНК, но не может начать трансляцию со стартового кодона AUG. Эта специфичность обеспечивается N-формильной группой, отсутствующей у met-тРНК.

Распознавание стартового кодона осуществляется следующим образом. Связывание 30S-субчастицы с мРНК находится под строгим контролем нуклеотидной последовательности, расположенной примерно за 10 нуклеотидов до 5’-конца стартового кодона. Взаимодействию способствует комплементарное спаривание этой богатой пуринами последовательности с полипиримидиновым участком, находящимся в составе 16S-рРНК. Процесс инициации зависит от многих условностей в структуре взаимодействующих участков, в том числе от вторичной структуры того участка молекулы мРНК, в котором находится стартовый кодон AUG. Это имеет значение для процессов регуляции эффективности синтеза белка.

Итак, при инициации указанный комплекс связывается с Р-сайтом 30S-субчастицы рибосомы, и первой аминокислотой в составе пептида будет формил-метионин. Далее следует присоединение 50S-субчастицы рибосомы и формируется 70S-инициирующий комплекс (рис.3.13). Источником энергии для инициации синтеза белка служит расщепление GTP до GDP и Pi.

Элонгация трансляции . Для образования первой пептидной связи необходимо, чтобы аминоацил-тРНК, соответствующая следующему кодону, заняла А-участок рибосомы. Для этого аминоацил-тРНК должна сначала связать белок EF-Tu (один из факторов элонгации) и GTP. Образовавшийся тройной комплекс (аминоацил-тРНК- ) и доставляет аминоацил-тРНК к А-участку. GTP в это время гидролизуется, и комплекс (EF-Tu-GDP) отделяется от рибосомы. Когда оба участка, А и Р, заняты, пептидилтрансферазная активность 50S-субчастицы катализирует перенос группы Fmet с ее тРНК на аминогруппу аминоацил-тРНК, находящуюся в А-участке (рис.3.14). В результате в А-участке оказывается дипептидил-тРНК, а в Р -свободная тРНК (рис. 3.13).

Пептидилтрансферазная активность рибосом связана, по-видимому, не с белковой частью 50S-субъединицы, а с одним из РНК-компонентов - рибозимов.

Для прочтения следующего кодона и удлинения полипептидной цепи еще на одну аминокислоту вся серия реакций должна повториться. Однако прежде чем это произойдет, свободная тРНК освобождает Р-участок, образовавшаяся дипептидил-тРНК перемещается на него с А-участка (при этом не происходит взаимодействия кодона с антикодоном), а рибосома продвигается скачкообразно (на 3 нуклеотида) в сторону 3’-конца мРНК. Все эти процессы осуществляются с помощью фактора элонгации EF-G при GTР-зависимой транслокации рибосомы. В результате этих трех актов освобождается участок А и экспонируется следующий кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис. 3.13). Следует отметить, что при образовании каждой пептидной связи расходуется энергия, равная четырем энергетическим эквивалентам (если за один эквивалент принять энергию образования фосфатной связи): два эквивалента АТР потребляются при аминоацилировании тРНК и два эквивалента GTР - в каждом цикле элонгации.

Терминация трансляции . Процесс последовательной трансляции кодонов, в конце концов, доходит до того момента, когда в А-участке оказывается один из трех терминирующих кодонов - UAG, UAA или UGA. В природе не существует таких тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам. Здесь вступают в действие факторы терминации - RF-1 и RF-2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от тРНК, тРНК - от рибосомы, а 70S-рибосому - от мРНК.

После инициации трансляции 70S-рибосома удаляется от сайта инициации по мере считывания каждого последующего кодона. Когда расстояние от рибосомы до сайта инициации достигнет величины 100-200 нуклеотидов, в этом сайте может произойти новая инициация. Более того, как только вторая рибосома пройдет такое же расстояние, может произойти третья инициация, и т. д. Итак, одну и ту же белок-кодирующую последовательность мРНК могут одновременно транслировать несколько рибосом. Подобные мультирибосомные трансляционные комплексы называются полирибосомами или полисомами .

Матричные РНК, состоящие из нескольких белок-кодирующих участков, часто транслируются последовательно: когда рибосома доходит до термини рующего кодона в первой последовательности, она отделяется от мРНК и со следующим инициирующим участком связывается новый комплекс. Иногда этого не происходит, и транслирующая первую кодирующую последовательность рибосома, не отделяясь, перемещается вдоль мРНК, инициируя трансляцию в других сайтах.

В некоторых случаях трансляция первой кодирующей последовательности может начаться и даже завершиться еще до окончания транскрипции остальных последовательностей, как, например, в случае lac- или trp-оперонов E.coli.

Особенности трансляции у эукариот . Процесс трансляции эукариотической мРНК в основном аналогичен таковому для прокариот. Однако имеется ряд отличий. Во-первых, аппараты транскрипции и трансляции у эукариот разобщены во времени и в пространстве, поскольку транскрипция осуществляется в ядре, а трансляция - в цитоплазме. Во-вторых, инициирующей аминоацил-тРНК у эукариот служит не Fmet-тРНК, а специальная инициирующая met-тРНК. В-третьих, на 5ў- и 3ў-концах эукариотичеких мРНК имеются особые структуры - «кэпы» и «шлейфы», принимающие участие в трансляции. Известно, что отдельные факторы инициации трансляции узнают кэпированные области для связывания с мРНК и начала процесса трансляции.

В ходе трансляции записанная на мРНК в виде последовательности нуклеотидных оснований информация преобразуется в последовательность аминокислот. Процесс этот протекает на рибосомах, и для его успешной реализации необходим еще один тип РНК - короткие транспортные РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК имеет определенную пространственную конфигурацию, несколько напоминающую листок клевера.

В центре молекулы (на верхушке среднего «листка клевера») располагается триплет - антикодон , способный спариваться с комплементарным ему триплетом (кодоном) мРНК. Триплет на конце тРНК может образовывать ковалентную связь со специфической аминокислотой. В клетке существуют тРНК с разными антикодонами, соответственно, способные связываться с каждой из аминокислот, необходимых для синтеза белка.

Сама рибосома представляет собой сложную биохимическую систему, предназначенную для синтеза белка в соответствии с инструкциями, записанными в структуре мРНК. Сначала рибосома связывается с мРНК, а вслед за этим к комплексу мРНК-рибосома присоединяется несущая аминокислоту тРНК, антикодон которой комплементарен первому кодону мРНК. Затем рядом с первой тРНК присоединяется вторая с антикодоном, комплементарным второму кодону мРНК, и т. д. Специальный фермент связывает между собой две аминокислоты, доставленные этими двумя тРНК, которые пока еще остаются присоединенными к комплексу. После этого первая тРНК покидает рибосому, чтобы присоединить новую молекулу соответствующей ей аминокислоты. Тем временем рибосома продвигается вдоль мРНК и вторая тРНК с присоединенной к ней аминокислотой занимает место первой. Все это повторяется многократно до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона на мРНК, которым заканчивается любой структурный ген. Достигнув его, рибосома и вновь синтезированный белок отсоединяются от мРНК и переходят в цитоплазму клетки.

К одной молекуле мРНК прикрепляется обычно много рибосом, которые, продвигаясь вдоль нее, транслируют кодон за кодоном новые молекулы белка. Такая структура получила название полисома . Рибосомы работают очень эффективно: за 1 с в организме человека синтезируется 5 · 10 14 молекул гемоглобина - белка с уникальной последовательностью из 574 аминокислот.

Процесс биосинтеза белка - один из самых энергоемких в реакциях пластического обмена клетки. На образование одной пептидной связи в синтезируемом белке расходуется четыре молекулы АТФ - две при присоединении аминокислоты к тРНК и две непосредственно на рибосоме.