Трансляция при биосинтезе белков

Первый этап биосинтеза белка завершается созданием определенного потока генетической информации в виде молекул иРНК. У эукариотических клеток первичные транскрипты синтезируются на матрице ДНК и проходят процесс созревания, а у прокариот основной единицей транскрипции является оперон в молекулах бакДНК, с которого копируется иРНК. Теперь рассмотрим, каким образом осуществляется синтез самих протеинов – молекул белков.

Трансляция – это построение полимерной молекулы белка из многочисленных мономеров – аминокислот на основе «считывания» генетической информации, заключенной в молекуле иРНК. В построении белка участвуют только 20 аминокислот из 170, существующих в природе.

Синтез молекулы белка происходит в цитоплазме. Сформировавшись в ядре и пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК попадает в цитоплазму, направляется к рибосомам, где и осуществляется расшифровка генетического кода и сборка аминокислот в цепь белковой молекулы. Для создания белковой молекулы, помимо присутствующих свободных аминокислот, рибосом и молекул иРНК, в клетке должны находиться транспортные РНК (тРНК), доставляющие аминокислоты для сборки, и соответствующие ферменты.

В процессе трансляции нуклеотидная последовательность с иРНК считывается группами по три нуклеотида (триплет, или кодон) в направлении 5' → 3'. Кодон – это дискретная единица генетического кода в молекуле иРНК.

Участники синтеза молекул белка. Каждому триплету нуклеотидов (кодону) молекулы иРНК соответствует определенная аминокислота, хотя м огне аминокислоты кодируются разными кодонами.

Транспортные РНК. Эти молекулы доставляют аминокислоты к иРНК и рибосомам. Они небольшие, состоят из 70–90 нуклеотидов, могут сворачиваться, при этом образовывать петли, напоминающие по форме лист клевера – трилистник.

В строении трилистника тРНК имеются две функционально важные части: акцепторная, расположенная на одном конце – черешке трилистника, и антикодоновая, размещенная на противоположном конце – на центральной вытянутой петле тРНК.

Антикодоном (от греч. anti – против и кодон) называют участок на петле молекулы тРНК, состоящий из трех нуклеотидов и узнающий соответствующий ему кодон – участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле иРНК, с которым он может комплементарно взаимодействовать. Взаимодействие «кодов – антикодон» обеспечивает правильную (в соответствии с программой иРНК) расстановку аминокислот в синтезирующейся полипептидной цепи.

Акцепторный участок тРНК находится на З'-конце и содержит несколько нуклеотидов, конечным из которых всегда является триплет ЦЦА. Другой конец цепочки тРНК (5'-конец) всегда заканчивается гуанином (Г).

Акцепторный конец (3'-конец) способен присоединять к себе аминокислоты. Во всех случаях аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты (А) в последовательности ЦЦА на 3'-конце молекулы тРНК. Аминокислота с помощью специального фермента кодазы опознается (по кодируемому триплету ЦЦА) и присоединяется с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы к акцепторному концу трилистника тРНК. (Для каждой из аминокислот имеется своя особая синтетаза.) Присоединение аминокислоты к тРНК идет с потреблением энергии (одной молекулы АТФ), так как осуществляется путем образования ковалентной связи.

Присоединяясь к молекуле тРНК своим карбоксильным концом, аминокислоты благодаря энергии молекул АТФ активируются, то есть переходят в форму, способную образовывать пептидную связь. Процесс активации аминокислот – необходимый этап белкового синтеза, так как свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

Молекула тРНК с аминокислотой, присоединенной к ней с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, представляет собой соединение, которое называют аминоацил-тРНК. Аминоацил-тРНК транспортируется к рибосоме, где и начинается сам синтез белковой молекулы. Он осуществляется в рибосомах, которые считывают (транслируют) информацию, заложенную в иРНК, продвигаясь вдоль нее в направлении 5' → 3'.

Рибосома. Известно, что рибосома состоит из двух субъединиц– большой и малой, образованных из рРНК и белков. Обычно рибосома находится в диссоциированном виде, рибосомные субъединицы обособлены друг от друга. Но с началом трансляции малая субъединица связывается с иРНК рядом с ее 5'-концом, несущим стартовый кодон АУГ. К нему сразу же присоединяются: инициаторная тРНК, несущая аминокислоту метионин, и белковые факторы инициации (начала) синтеза. После этого весь образовавшийся сложный комплекс, в свою очередь, прочно присоединяется к большой субъединице рибосомы, и в ней начинается собственно синтез молекул белка. Заметим, что такое присоединение (ассоциация) происходит только при наличии в среде двухвалентных катионов Mg2+.

На большой субъединице есть специфические места для присоединения аминоацил-тРНК: два разных участка, связывающих молекулы тРНК.

Один из них служит для удерживания только что прибывшей молекулы аминоацил-тРНК. Поэтому его называют аминоацил-тРНК-связывающим участком, или А-участком. Второй участок удерживает молекулу тРНК, присоединенную к растущему концу полипептидной цепи. Поэтому данный участок называют пептидил-тРНК-связывающим участком, или П-участком (P-участок). В создавшейся ассоциации компонентов инициаторная тРНК, несущая метионин, оказывается расположенной в П-участке рибосомы, тогда как А-участок остается свободным и, следовательно, готовым к приему первого мономера полипептидной цепи.

Схема строения рабочих участков рибосомы: 1 – малая субъединица; 2 – большая субъединица; 3 – участок связи с иРНК; 4 – А-участок; 5 – П-участок; б – полипептидная цепь; 7 – иРНК

К обоим участкам – А и П – молекула тРНК прочно прикрепляется только в том случае, если антикодон совпадает с комплементарным ему кодоном иРНК. А- и П-участки располагаются очень близко друг к другу, так что связанные с ними молекулы тРНК соединяются с двумя соседними кодонами в молекуле иРНК.

В рибосомах, между большой и малой субъединицами, имеются также две бороздки разных типов. Одна из них удерживает растущую полипептидную цепь, а другая удерживает нить молекулы иРНК. Длина бороздок такова, что в первой из них умещается примерно 30 аминокислот, а во второй– около 35 нуклеотидов иРНК.

Сборка полипептидных молекул белка

Первая аминоацил-тРНК, несущая аминокислоту, поступает на свободный А-участок, вторая подошедшая группа поступит на А-участок лишь тогда, когда первая группа передвинется на П-участок. Один из белков рибосомы (фермент пептидилтрансфераза), расположенный между двумя поступившими аминокислотами, катализирует образование пептидной цепи между сблизившимися аминокислотами. Одновременно с этим в П-участке связь первой поступившей аминокислоты с тРНК разрывается и происходит продвижение рибосомы на три нуклеотида вперед по иРНК в направлении 5' → 3'. Данное смещение приводит к тому, что свободная тРНК «выталкивается» из П-участка, а на это место передвигается вторая аминоацил-тРНК с аминокислотой. Одновременно освобождается А-участок для приема следующей аминоацил-тРНК, и весь процесс повторяется.

Модель синтеза белковой молекулы на рибосоме
Модель синтеза белковой молекулы на рибосоме: 1 – рибосома; 2 – иРНК; 3 – тРНК; 4 – аминокислоты; 5 – образование пептидной связи

По мере присоединения аминокислот идет нарастание полипептидной цепи. При этом рибосома как бы скользит вдоль цепи иРНК. С добавлением каждой аминокислоты в полипептидную цепь рибосома продвигается вперед вдоль молекулы иРНК ровно на три нуклеотида. При достижении рибосомой стоп-колона синтез прекращается, потому что к стоп-кодонам нет соответствующих антикодонов ни у одной из тРНК. В результате полипептидная цепь отделяется от рибосомы. Рибосома при этом обычно распадается на две отдельные субъединицы, которые затем могут участвовать в новом процессе синтеза.

Одну молекулу иРНК могут транслировать сразу несколько рибосом, образуя комплекс – полирибосому (полисому).

Синтез белков на полисоме
Синтез белков на полисоме

Процесс биосинтеза белков на всех его этапах идет с участием многих ферментов и с непременным потреблением энергии. Он считается одним из самых энергоемких. Образование каждой пептидной связи сопровождается расщеплением четырех макроэргических фосфатных связей нуклеозидтрифосфатов (АТФ и ГТФ). Две из них расходуются на присоединение аминокислоты к молекуле тРНК (АТФ), а две (ГТФ) – на процессы, протекающие в рибосоме; при связывании аминоацил-тРНК с А-участком и при продвижении рибосомы на три нуклеотида вперед.

Четкая последовательность происходящих процессов, их организованность и распределение функций между всеми задействованными компонентами приводят к выводу о том, что биосинтез белка – это целостная молекулярная система выполнения сложных реакций, обеспечивающая создание веществ, необходимых для жизни. Весь процесс биосинтеза белков в клетке регулируется генетической информацией ДНК.