АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 7. Предварительные этапы биосинтеза белка

Биосинтез белка с химической точки зрения является процессом полимеризации аминокислот. В химии этот процесс может осуществляться с помощью водоотнимающих агентов. Поскольку в клетке он проходит в водной среде, то простая конденсация с отщеплением воды делает этот процесс энергетически невыгодным. Поэтому для биосинтеза белка в клетке необходимы источники энергии, которые смещали бы равновесие реакции в сторону полимеризации. Таким источником является АТФ.

Активация аминокислот происходит путем их присоединения к тРНК. Эту реакцию осуществляют специальные ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазы. Каждый такой фермент специфически узнает определенную аминокислоту и соответствующую ей тРНК и осуществляет присоединение карбоксильной группы аминокислоты к гидроксилу рибозы на 3'-конце тРНК.

Этот процесс состоит из двух последовательных реакций. Сначала фермент связывает аминокислоту и АТФ. Карбоксильная группа аминокислоты атакует первую фосфатную группу АТФ и замещает две концевые группы, которые отщепляются в виде пирофосфата. Полученное соединение носит название аминоациладенилат. Таким образом, энергия связи между первым и вторым фосфатами АТФ переносится в связь карбоксила и фосфата оставшейся АМФ.

Энергия этой связи примерно такая же, как и энергия связи между двумя фосфатами, поэтому реакция обратима. Чтобы она полностью проходила в нужном направлении, в клетке используется фермент пирофосфатаза, гидролизующий пирофосфат до двух молекул фосфата. Эта реакция практически необратима, что делает необратимым и весь процесс в целом.

После образования аминоациладенилата к ферменту присоединяется тРНК. Затем фермент переносит остаток аминокислоты с аденилата на 3'-конец тРНК. Образуется свободная АМФ, а почти вся энергия связи переходит в связь аминокислоты и тРНК. Таким образом, энергия АТФ превратилась в энергию активированной аминокислоты. Этой энергии с избытком хватает на образование пептидной связи.

Рис. 1

Чтобы понять дальнейшие процессы, необходимо подробнее остановиться на структуре тРНК (рис. 1). Эти небольшие молекулы содержат четыре пары взаимно комплементарных участков. Комплементарны друг другу 3'- и 5'-концы молекулы. Образованная ими спираль переходит в две боковые спирали, образованные расположенными недалеко друг от друга участками цепи РНК. Между ними имеются некомплементарные участки, образующие однонитевые петли. В центре молекулы образуется еще одна спираль с петлей в середине. В этой петле расположены три функционально важных нуклеотида, комплементарные кодону переносимой аминокислоты. Эти нуклеотиды называются антикодоном и именно они ответственны за правильную установку аминокислоты в полипептидной цепочке.

Плоская структура, получающаяся при изображении этих спиралей и петель, не отражает истинной формы молекул тРНК. На самом деле они свернуты в достаточно плотную и компактную пространственную структуру, из которой в одну сторону торчит концевая спираль, к которой присоединяется аминокислота, а в другую – спираль с антикодоновой петлей.

Рис. 2

Кроме аминокислот и энергии для биосинтеза белка необходима информация о последовательности соединения аминокислот. Эта информация записана в виде последовательности кодонов в мРНК. Таким образом, возникает проблема расположения аминокислот против кодонов мРНК. Эту функцию, получившую название адапторной, также выполняет тРНК. Для этого тРНК присоединяется к кодону мРНК своим антикодоном (рис. 2). Образующиеся при этом три комплементарные пары оснований обеспечивают достаточную прочность и специфичность связывания. Если тРНК имеет антикодон, не комплементарный кодону в мРНК, связывание становится значительно менее прочным, и комплекс мРНК–тРНК быстро распадается.

Таким образом, синтез белка требует объединения в одном месте мРНК по крайней мере двух тРНК, комплементарных соседним кодонам и несущих активированные аминокислоты, и фермента, который бы соединил эти аминокислоты.

Соединение всех компонентов, необходимых для синтеза белка, происходит на специальных клеточных частицах – рибосомах. Рибосомы представляют собой сложный комплекс молекул РНК и белков. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей, называемых большой и малой субъединицами. Большая субъединица примерно в 2 раза больше малой.

В состав малой субъединицы входит одна молекула РНК длиной 1800–2300 нуклеотидов. Она свернута определенным образом, одинаковым у всех организмов. К ней в определенных участках присоединены более 20 белков. Большая субъединица содержит одну большую РНК (3500–5000 нуклеотидов) и одну или две маленьких РНК (120 и около 160 нуклеотидов). В состав большой субъединицы входит более 30 белков. Субъединицы рибосомы способны разделяться и объединяться при участии дополнительных белков.

В синтезе белка активна только целая рибосома, однако отдельные этапы синтеза связаны с определенными участками на разных субъединицах. Выделяют несколько функциональных центров на рибосоме.

Прежде всего, это центр связывания мРНК. Он находится на малой субъединице, и отдельная малая субъединица связывает мРНК без участия большой. Следующий функциональный центр рибосомы – центр связывания аминоацил-тРНК. Он носит название А-участка и расположен на обеих субъединицах таким образом, что антикодоновая петля находится на малой субъединице и может взаимодействовать с мРНК, а аминокислотный остаток находится на большой субъединице. Третий центр удерживает синтезируемый пептид, который до завершения синтеза остается связанным с тРНК. Он называется Р-участком и расположен аналогично А-участку, т.е. антикодон тРНК – на малой субъединице, а конец тРНК с прикрепленным пептидом – на большой. Кроме того, на большой субъединице находится центр, катализирующий образование пептидной связи. Так как пептидная связь образуется путем переноса синтезируемого пептида на аминоацил-тРНК, он носит название пептидилтрансферазного центра. На большой субъединице находится также участок, связывающий вспомогательные белки, называемые факторами трансляции.

Процесс синтеза полипептида на рибосоме состоит из трех стадий: инициации, элонгации и терминации. Задача инициации – собрать вместе все компоненты белоксинтезирующей машины и правильно определить точку начала синтеза. Как мы видели в предыдущих лекциях, сдвиг рамки считывания хотя бы на один нуклеотид приводит к образованию совершенно другого полипептида, поэтому важно правильно определить точное положение первого кодона.

Этим положением могло бы быть начало мРНК, но в таком случае любое нарушение первого нуклеотида вследствие ошибок транскрипции или действия нуклеаз привело бы к сдвигу рамки и синтезу неправильных пептидов. Кроме того, в начале мРНК могут находиться регуляторные последовательности, поэтому точка начала синтеза должна находиться на некотором расстоянии от начала мРНК.

Она должна определять первую аминокислоту в белке, т.е. содержать определенный кодон. Но все кодоны, кодирующие аминокислоты, могут встречаться не только в начале, но и во внутренней части полипептида. Чтобы отличить кодон в начале полипептида от такого же кодона, стоящего в середине, необходимы дополнительные сигналы.

Такими сигналами в мРНК могут быть только определенные нуклеотидные последовательности. Для их узнавания нужны специальные инструменты, которыми являются определенные участки малой субъединицы рибосомы, белковые факторы и специальная инициаторная тРНК. Она узнает кодон АУГ, кодирующий аминокислоту метионин.

Однако не любой кодон АУГ служит началом синтеза белка. У бактерий перед ним должна быть специальная последовательность, которую узнает малая рибосомная субъединица. Только когда малая субъединица связалась с этой последовательностью, к ним присоединяется инициаторная тРНК, несущая метионин.

У эукариот малая субъединица связывается с инициаторной тРНК, а затем этот комплекс садится на начало (5'-конец) мРНК, где имеется устойчивая модифицированная нуклеотидная последовательность, связанная со специальными белками. Далее малая субъединица движется по мРНК за счет энергии гидролиза АТФ. При этом она постоянно проверяет антикодоном инициаторной тРНК наличие кодона АУГ в мРНК. Обычно первый АУГ в мРНК и служит началом синтеза полипептида.

И у бактерий, и у эукариот малая субъединица взаимодействует с тремя дополнительными белками, которые называются факторами инициации. Фактор инициации  2 связывает инициаторную тРНК и ГТФ, а фактор инициации 3 не дает соединиться большой и малой субъединицам.

После того, как малая субъединица узнает инициирующий кодон, фактор инициации 3 отделяется от малой субъединицы, и к ней может присоединяться большая субъединица. В результате образуется целая рибосома, сидящая на инициаторном кодоне АУГ. При этом фактор инициации 2 сближается с участком большой субъединицы, ответственным за взаимодействие с факторами трансляции, что приводит к образованию активного центра, гидролизующего ГТФ. Инициаторная тРНК с присоединенным метионином и инициаторный кодон АУГ попадают в Р-участок, т.е. занимают место пептида. Этот процесс идет с участием фактора инициации 2, который использует энергию гидролиза ГТФ. После того, как инициаторная тРНК оказалась в Р-участке, а ГТФ превратился в ГДФ, этот фактор отделяется от рибосомы и далее в процессе синтеза данного полипептида не участвует.

Таким образом, в результате инициации мы получаем рибосому, точно установленную в нужное положение на мРНК, в Р-участке имеется тРНК с аминокислотой, а А-участок свободен. Этим заканчивается стадия инициации.

Литература

1. Лаврик О.И. Механизмы специфицеского отбора аминокислот в биосинтезе белка. Соросовский Образовательный Журнал. 1996, №4, с. 18–22.

2. Спирин А.С. Принципы структуры рибосом. Соросовский Образовательный Журнал. 1998, №11, с. 65–70.

3. Фаворова О.О. Строение транспортных РНК и их функции на первом этапе биосинтеза белков. Соросовский Образовательный Журнал. 1998, №11, с. 71–77.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. Почему пептидная связь в клетке не может образоваться путем конденсации двух аминокислот?

2. Каковы функции тРНК?

3. Сколько макроэргических связей тратится на присоединение аминокислоты к тРНК?

4. Какие функциональные центры рибосомы расположены на малой субъединице, а какие – на большой?

5. В чем состоит основная проблема, которая решается на стадии инициации?

6. Где оказывается инициаторная тРНК в конце инициации?