2.3.2.Синтез полипептидных цепей на рибосомах ( транскрипция )

Сборка полипептидных цепей белков в соответствии с информацией, поступающей из ядра с матричной РНК, происходит на рибосомах. Рибосомы эукариот представляют собой клеточную органеллу, состоящую из двух частей 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: центр связывания мРНК; центр связывания тРНК, несущей синтезируемую полипептидную цепь или Пцентр: центр связывания тРНК, несущей очередную аминокислоту, которая будет присоединяться к синтезируемой полипептидной цепи Ацентр;

Тцентр или пептидилтрансферазный центр, обеспечивающий образование пептидных связей в синтезируемом полипептиде:

Процесс транскрипции принято делить на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Для инициации синтеза полипептида необходимы рибосома, диссоциированная на субъединицы; инициирующая мРНК, в качестве которой в клетках эукариот используется тРНКМет, нагруженная метионином; мРНК; ГТФ; кроме того, необходимо нес

колько белков, так называемых факторов инициации: эФИ1, эФИ2, эФИ3, эФИ4(А,В,С), причем фактор инициации эФИ3 необходим для диссоциации рибосомы на субъединицы.

Затем мРНК вместе с КЭПсвязывающим белком взаимодействует с малой субъединицей рибосомы, нагруженной МеттРНК. Для этого взаимодействия необходимы факторы инициации эФИ1, эФИ4А, эФИ4Б, 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 40Sсубъединицей практически не происходит.

Мет ИФ3

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. Для опознания кодона АУГ в качестве именно инициирующего кодона важно его окружение. Оптимальной последовательностью нуклеотидов для опознания инициирующего кодона является последовательность АЦЦАУГГ.

Сформировавшийся комплекс, состоящий из малой субъединицы рибосомы, связанной с мРНК и инициаторной МеттРНК подучил название инициирующего комплекса. Этот инициирующий комплекс взаимодействует с большой (60S) субъединицей рибосомы, причем МеттРНК оказывается в Пцентре рибосомы. В ходе этого взаимодействия происходит расщепление ГТФ до ГДФ и Ф, высвобождается КЭПсвязывающий белок и ряд факторов инициации ( эИФ2, эИФ3 и др.)

После присоединения большой субъединицы рибосомы МеттРНК оказывается в Пцентре рибосомы, а Ацентр свободен и может связывать следующую аминоацилтРНК, антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в Ацентре рибосомы. На этом заканчивается этап инициации.

На следующем этапе этапе элонгации происходит последовательное присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой полипептидной цепи в направлении от её Nконца к Сконцу. Процесс элонгации идет циклически, причем в ходе цикла полипептидная цепь увеличивается на один аминокислотный остаток.

Цикл элонгации начинается с взаимодействия аминоацилтРНК (АатРНК), антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в Ацентре рибосомы, с ГТФ и белковым фактором элонгации I (ФЭ1):

Образовавшийся комплекс взаимодействует с рибосомой. В ходе взаимодействия АатРНК связывается в Ацентре 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 ФЭ1 высвобождается и покидает

рибосому. В результате в Ацентре рибосомы оказывается АатРНК, а в Пцентре оказывается тРНК, несущая синтезируемую полипептидную цепь ( или МеттРНК, если речь идет о первом цикле элонгации ):

Под действием пептидилтрансферазы Тцентра рибосомы синтезируемая полипептидная цепь с тРНК, находящейся в Пцентре рибосомы ( или остаток метионина с МеттРНК ) переносится на NH2группу аминокислоты, связанной с тРНК в Ацентре 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 Пцентр рибосомы, а рибосома при участии фактора элонгации ФЭ2 передвигается по мРНК в направлении её 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 её Пцентре оказывается тРНК, несущая синтезируемый полипептид ( или дипептид на нашей схеме ), а в её Ацентре 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 аминоацилтРНК, поскольку в ходе реакции, катализируемой аминоацилтРНКсинтетазой, 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 Ацентре рибосомы оказывается один из терминирующих кодонов: УАА, УГА, УАГ. Начинается следующий этап этап терминации транскрипции. Появление в Ацентре терминирующего кодона узнается с помощью белковых высвобождающих факторов или Rфакторов. Rфакторы при участии ГТФ и пептидилтрансферазы Тцентра рибосомы гидролизуют связь между синтезированным полипептидом и тРНК, находящейся в П центре рибосомы. Синтезированный полипептид уходит с рибосомы. Далее из Пцентра 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. Изза довольно большого собственного размера рибосом они располагаются на мРНК на расстоянии не менее 80 нуклеотидных остатков друг от друга, тем не менее на одной молекуле мРНК могут одновременно работать несколько десятков рибосом. Рибосомы, работающие на одной молекуле мРНК, образуют полирибосому или полисому.

В оценке скорости синтеза полипептидной цепи в клетках эукариот в литературе существуют большие разногласия: от 100 аминокислотных остатков в минуту до 2000 в мин. Частота ошибок сборки полипептидных цепей составляет 1х104. При средней длине полипептидных цепей белков в 400 аминокислотных остатков 1 дефектная молекула приходится на 25 синтезированных молекул белков.

Точность сборки полипептидных цепей контролируется на двух этапах: вопервых, на стадии образования аминоацилтРНК, вовторых. на стадии связывания аминоацилтРНК с Ацентром рибосомы на этапе элонгации. Если к Ацентру рибосомы присоединяется АатРНК, антикодон которой не комплементарен кодону мРНК, также находящемуся в Ацентре рибосомы, связь этой ошибочной АатРНК с Ацентром непрочная и эта АатРНК покидает Ацентр раньше, чем сработает механизм образования пептидной связи.