4.3. 4. Трансляция
Трансляция – процесс, посредством которого генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК переводится с нуклеотидного кода в последовательность аминокислот в молекуле белка. Иными словами, трансляция – это процесс синтеза белка на матрице мРНК.
Ключом для перевода последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в молекуле белка служит генетический код. Генетический код - принцип записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК. Генетический код триплетен. Триплет включает три рядом расположенных нуклеотида, кодирующих те или иные аминокислоты и знаки пунктуации в процессах белкового синтеза. Триплеты в молекуле мРНК называют кодонами, а коплементарные им триплеты в молекуле тРНК, антикодонами. Три нуклеотида в составе кодона - это минимальное их количество, которое необходимо для кодирования 20 аминокислот. Для сравнения, двухбуквенный код позволяет создать только 16 различных комбинаций триплетов, что позволяет зашифровать лишь 16 аминокислот, тогда как при трехбуквенном коде возможно образование 64 различных комбинаций триплетов. Этого количества триплетов с избытком хватает для кодирования всех 20 аминокислот, и, казалось бы, 44 кодона оказываются лишними. Однако в действительности все 64 кодона выполняют определенные функции, так как большинство аминокислот кодируется несколькими кодонаими, а некоторые кодоны служат знаками пунктуации в процессе белкового синтеза.
Синтез белка осуществляется в результате сложного взаимодействия различных типов молекул РНК (мРНК, рРНК, тРНК, мяРНК), ферментов и многих белковых факторов и протекает с затратой энергии. Большую роль в процессе белкового синтеза играют рибосомы.
Каждая рибосома имеет две бороздки, одна из которых удерживает молекулу мРНК, а другая - растущую полипептидную цепь. Кроме того, в структуре рибосомы выделяется два различных участка, связывающих молекулы тРНК. В аминоацильном участке или А-участке размещается тРНК, несущая аминокислоту для присоединения ее к растущей полипептидной цепи (аминоацил-тРНК). В пептидальном участке или П–участке располагается тРНК, которая соединена с растущей полипептидной цепью (пептидил-тРНК).
Недавние исследования показали, что рибосомальные РНК играют главную роль в объединении субъединиц рибосом в активно функциоинирующую рибосому и образовании ее пептидального и аминоацильного участков. Рибосомальные РНК катализируют также образовение пептидной связи между аминокислотами. Все это позволяет рассматривать рибосому как один огромный рибозим.
Прокариотическая рибосома, соединяясь с мРНК, экранирует в ее молекуле сегмент, включающий около 30 нуклеотидов, эукариотическая рибосома экранирует около 80 нуклеотидов.
Процесс трансляции состоит из четырех стадий: активации, инициации, элонгации и терминации. Все стадии трансляции требуют затрат энергии, источником которой служит гидролиз гуанозинрифосфата (ГТФ), соединения сходного с АТФ
На стадии активации тРНК, находящиеся в цитоплазме клетки, под действием фермента аминоацил т-РНК – синтетазы специфически связываются со «своими» аминокислотами (рис. 4.26). Столь высокая специфичность реакции достигается благодаря способности 20 различных ферментов аминоацил тРНК – синтетаз узнавать «свои» аминокислоты и посредством ковалентных связей присоединять их к соответствующим тРНК. Реакция протекает в присутствии ионов Mg2+ с затратой энергии и может быть представлена в следующем виде:
Mg2+
Аминокислота + тРНК + АТФ ⇄ аминоацил-тРНК + АМФ + 2 Фн
В последующем каждая аминоацил-тРНК связывается с соответствующими кодонами мРНК. Учитывая, что генетический код содержит 61 кодон, кодирующий аминокислоты, можно было бы предполагать, что для каждого кодона в клетке имеется своя тРНК. Однако в действительности в клетках Е.coli насчитывается лишь 45 разных видов тРНК, некоторые из которых способны связываться с несколькими кодонами. Согласно «гипотезе качания» это объясняется тем, что третье основание большинства кодонов имеет определенную степень свободы при образовании пары с соответствующим основанием антикодона и как бы «качается». Например, тРНК с антикодоном 3'-UCU-5' может связываться с двумя кодонами мРНК: 5'-AGA-3' или 5'-AGG3, каждый из которых кодирует аминокислоту аргинин и отличается от другого, только по третьему нуклеотиду.
В ходе инициации трасляции образуется комплекс, инициирующий трансляцию. Сначала малая субъединица рибосомы связывается с участком иРНК, расположенным вблизи ее 5`- конца, который несет инициирующий кодон АУГ. К старт-кодону сразу же присоединяется инициаторная аминоацил-тРНК, несущая аминокислоту метионин (у прокариот формилметионин). После этого малая и большая субъединицы рибосомы, мРНК и инициаторная аминоацил–тРНК объединяются с образованием комплекса, способного синтезировать белок. Образовавшийся комплекс включает активно функционирующую рибосому, мРНК, инициаторную тРНК и белковые факторы инициации, обозначаемые как IF у прокариот (от англ. iniation factors), и еIF ( от англ. eukaryotic initation factors) у эукариот.
Элонгация (удлинение) полипептидной цепочки осуществляется путем последовательного присоединения к аминокислоте инициаторной аминоацил-тРНК новых аминокислотных остатков в соответствии с комплементарностью кодонов мРНК и соответствующих им антикодонов аминоацил–тРНК. В механизме элонгации участвуют специальные белковые факторы элонгации EF, а в качестве источника энергии используется ГТФ. Общая схема протекающих на этой стадии процессов показана на рис. 4.28.
На стадии терминации осуществляется остановка трансляции. Терминирующие кодоны мРНК, связывают особые белковые факторы освобождения (от англ. releasing factor), что вызывает гидролиз карбоксильного конца вновь образованной полипептидной цепи и отделение ее от тРНК, расположенной в П- участке рибосомы. В результате молекулы тРНК и полипептида покидают рибосому и выходят в цитоплазму. После чего большая и малая субъединицы рибосом диссоциируют и отделяются от мРНК .
Ускорение синтеза определенного белка обычно достигается путем присоединения к мРНК нескольких рибосом таким образом, что расстояние между ними составляет примерно 100 нуклеотидов. Такие структуры называются полисомами. Поэтому, чем длиннее оказывается цепочка синтезируемого белка, тем больше рибосом могут одновременно осуществлять его биосинтез. Благодаря этому уравниваются скорости синтеза полипепетидных цепей, имеющих разные размеры.
Рис.4.30. Синтез белков на полисоме
1 - малая субъединица рибосомы; 2 - большая субъединица рибосомы; 3 - растущая полипептидная цепь; 4 - инициирующий-кодон мРНК; 5- терминирующий– кодон мРНК; 6 -мРНК
В основных чертах процесс трансляции у про и эукариот сходен. Однако имеется и ряд отличий.
В прокариотических клетках процессы траскрипции и трансляции сопряжены во времени и пространстве. Нередко, трансляциия у них начинается еще до завершения синтеза мРНК, что связано с отсутствием у прокариот оформленного ядра, а также быстрым распадом бактериальной мРНК под действием рестриктаз. У эукариот, в отличие от прокариот, трансляция происходит в цитоплазме, куда молекулы зрелой мРНК попадают из ядра, и где многие из них, благодаря высокой стабильности, могут длительно и многократно использоваться для биосинтеза белка. Этому способствуют химическая модификация 5'- и 3' - концов эукариотической мРНК в ходе процессинга пре- РНК, а также присоединению к молекуле мРНК после ее транспорта из ядра в цитоплазму цитоплазматических белков с образованием информосом, что предохраняет молекулы мРНК от рарушения их экзо- и эндонуклеазами.
На стадии инициации у прокариот большую роль в образовании комплекса, инициирующего трансляцию, играет полипуриновая последовательность Шайна– Дальгарно, расположенная в лидерной области мРНК примерно за 3–10 нуклеотидов до инициирующего кодона. Именно с ней по принципу комплементарности связывается рРНК малой субъединицы рибосомы, что позволяет прокариотической рибосоме распознавать инициирующий кодон и инициировать биосинтез белка на любых участках, нередко далеко остоящих от 5'-конца полицистронной мРНК. У эукариот инициация трансляции осуществляется в большинстве случаев по сканирующему или кэп-зависимому механизму. На первом этапе инициации трансляции малая субъединица рибосомы в комплексе с факторами инициации и инициаторной аминоацил-тРНК присоединяется к кэп-структуре, расположенной на 5'-конце мРНК. Затем малая сбъединица, двигаясь вдоль молекулы мРНК от её 5'-конца, «сканирует» один за другим некодирующие кодоны, пока не распознает инициирующий кодон. Однако наличие только инициирующего-кодона оказывается недостаточным для инициации трансляции. Для этого необходимо, чтобы перед инициирующим-кодоном, на расстоянии двух нуклеоитдов от него, обязательно находился пуриновый нуклеотид (А или Г), а непосредственно за инициирующим кодоном располагался гуаниловый нуклеотид.