АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 8. Биосинтез белка и его локализация в клетке

Следующим этапом биосинтеза белка является удлинение полипептидной цепи, или элонгация. Для этого этапа характерно, что в P-участке (пептидильном участке) присутствует тРНК с растущим пептидом. Напомню, что в конце инициации там оказалась инициаторная тРНК, несущая метионин, антикодон которой связан с инициаторным кодоном AUG. А-участок (аминоацильный участок) при этом свободен, а напротив него на мРНК имеется определенный кодон, следующий за AUG.

Пусть, например, это будет кодон UUC, кодирующий фенилаланин. Из цитоплазмы в А-участок рибосомы входят различные тРНК, несущие аминокислоты. Если антикодон тРНК комплементарен кодону на мРНК, тРНК прочно свяжется в А-участке, если же не комплементарен, то быстро выйдет оттуда. В нашем случае в А-участке будет связана тРНК с антикодоном GAA, несущая фенилаланин.

Этот процесс дополнительно ускоряется, и точность его увеличивается благодаря участию белка, называемого фактором элонгации-1. Если в А-участке связана правильная тРНК, то он закрепляет ее там, используя энергию гидролиза молекулы ГТФ. После этого фактор элонгации-1, связанный с ГДФ, уходит из рибосомы, а тРНК с фенилаланином остается прочно связанной. Аминоацил-тРНК при этом будет связана с рибосомой тремя участками: антикодоновой петлей – с кодоном мРНК, средней частью – с малой субъединицей и концом, несущим аминокислоту, с большой субъединицей. Такое связывание очень прочно и аминоацил-тРНК практически уже не может освободиться из А-участка.

Теперь, когда инициаторная тРНК с метионином занимает P-участок, а вторая тРНК с фенилаланином прочно связалась в А-участке, их 3'-концы оказываются сближенными в районе пептидилтрансферазного центра рибосомы. Напомню, что этот центр осуществляет перенос пептидного остатка на аминогруппу аминоацил-тРНК. В данном случае пептидным остатком является остаток метионина, принесенной инициаторной тРНК. После такого переноса карбоксильная группа метионина образует пептидную связь с аминогруппой фенилаланина (рис. 1).

Важно отметить, что энергии, запасенной в связи метионина с тРНК, с большим избытком хватает на образование пептидной связи: энергия гидролиза связи аминокислоты с тРНК составляет около 30 кДж/моль, а энергия гидролиза пептидной связи всего 2 кДж/моль.

После переноса остатка фенилаланина в P-участке остается инициаторная тРНК, не связанная с аминокислотой, а в А-участке – фенилаланиновая тРНК, к 3'-концу которой присоединен дипептид метионилфенилаланин. Аминокислота, пришедшая в рибосому первой (метионин), оказывается на свободном N-конце пептида, а пришедшая второй (фенилаланин) – присоединенной к 3'-концу тРНК.

Такое положение компонентов не соответствует функциям связывающих центров рибосомы, поэтому энергетически выгодным становится перемещение отдельных компонентов в рибосоме. Косвенно оно обеспечено энергией расщепления связи метионина с тРНК. Это перемещение носит название стадии транслокации.

В искусственных системах биосинтеза белка in vitro оно может происходить самопроизвольно, но с низкой скоростью. По-видимому, у такого перемещения существует довольно высокий энергетический барьер, поэтому в живой клетке для ускорения этого процесса используется энергия еще одной макроэргической связи, которую приносит молекула ГТФ.

Сама рибосома не может использовать ГТФ, однако она имеет центр связывания вспомогательных белков. В транслокации участвует белок, называемый фактором элонгации-2. Используя энергию гидролиза ГТФ, он перемещает связанные с рибосомой компоненты. При этом тРНК, несущая пептид, занимает P-участок, вытесняя оттуда пустую тРНК. Эта тРНК покидает рибосому и может присоединить новую аминокислоту. Вместе с тРНК перемещается и мРНК, при этом связь мРНК с пептидил-тРНК сохраняется, и в P-участке оказывается тРНК, связанная с комплементарным ей кодоном. В А-участке же никакой тРНК не будет, а напротив него окажется следующий кодон мРНК.

Таким образом, повторяется ситуация, которая была в начале элонгации. Теперь в А-участок поступит следующая аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону в А-участке. Например, если в А-участке окажется кодон CCG, с ним свяжется тРНК с антикодоном CGG, несущая пролин, а если кодон UAC, то свяжется тРНК с антикодоном GUA, несущая тирозин. Так же, как и в случае с первой тРНК, несущей фенилаланин, этот процесс идет с участием фактора элонгации-1 и сопровождается гидролизом ГТФ.

Пусть кодон на мРНК будет UCG и в А-участке будет тРНК с антикодоном CGA. Принесенная этой тРНК аминокислота (серин) попадает в пептидилтрансферазный центр, который осуществляет перенос дипептида метионил-фенилаланина из P-участка на аминогруппу серина. В результате в А-участке окажется тРНК, несущая трипептид метионил-фенилаланил-серин, а в P-участке – свободная тРНК.

Как и после образования первой пептидной связи, такое состояние энергетически невыгодно, поэтому снова происходит транслокация с участием фактора элонгации-2, сопровождающаяся гидролизом ГТФ. После транслокации тРНК с трипептидом окажется в P-участке, а А-участок будет свободен, и весь процесс повторится.

Рис. 2

Последовательность процессов присоединения аминоацил-тРНК к А-участку, образования пептидной связи и транслокации называется элонгационным циклом (рис. 2). Для протекания этого процесса не важна природа аминокислот, а необходима только комплементарность кодона на мРНК и антикодона тРНК. Таким образом, повторяя элонгационный цикл, рибосома может синтезировать любой белок, последовательность которого будет определяться только последовательностью нуклеотидов в мРНК. При этом пришедший первым остаток метионина всегда будет находиться на свободном N-конце синтезируемого пептида, а остаток аминокислоты, пришедший последним, окажется прикрепленным к 3'-концу тРНК.

Часто на одной мРНК последовательно друг за другом синтезируют белок несколько рибосом. Это позволяет более эффективно использовать мРНК и синтезировать в единицу времени больше белковых молекул. Такие структуры, состоящие из одной мРНК и нескольких работающих на ней рибосом, называются полисомами (рис. 3).

Рис. 3

Образование каждой пептидной связи в рибосоме сопровождается гидролизом двух молекул ГТФ и, кроме того, рибосома использует энергию связи аминокислоты с тРНК, на образование которой было израсходовано две макроэргические связи АТФ. Таким образом, процесс биосинтеза белка с точки зрения энергетики очень расточителен: затрачивается около 120 кДж/моль образовавшихся связей, а полезная работа (включая энергию пептидной связи, транслокацию и уменьшение энтропии) составляет около 12 кДж/моль. Такой большой расход энергии обеспечивает высокую скорость протекания процесса биосинтеза белка и его устойчивость к воздействию различных неблагоприятных факторов.

Процесс элонгации продолжается до тех пор, пока в А-участок не попадет стоп-кодон, для которого в клетке нет тРНК с комплементарным кодоном. Напомним, что стоп-кодонами являются кодоны UAA, UAG, UGA. На этих кодонах процесс элонгации останавливается и начинается завершающий этап биосинтеза белка, называемый терминацией.

В действие вступают вспомогательные белки, называемые факторами терминации. У эукариот такой фактор один, а у прокариот – несколько. Эти белки узнают стоп-кодоны и связываются в рибосоме вместо тРНК в А-участке. При этом они подставляют в пептидилтрансферазный центр рибосомы молекулу воды, на которую и переносится синтезированный пептид, т.е. происходит гидролиз связи синтезированного пептида с тРНК.

Это приводит к тому, что освободившаяся тРНК покидает рибосому, а образовавшийся пептид освобождается и начинает самостоятельное существование. Рибосома обычно диссоциирует на субъединицы и освобождает мРНК. Однако у прокариот на полицистронных матрицах часто рибосома, продвинувшись по мРНК до начала участка, кодирующего следующий белок, инициирует синтез на той же мРНК.

Пептид, синтезируемый рибосомой, часто уже в процессе биосинтеза приобретает свойственную ему вторичную и третичную структуру и может проявлять свою биологическую активность. В других случаях белок принимает свойственную ему конформацию, только освободившись из рибосомы. Третья группа белков требует для своего правильного сворачивания вспомогательных белков, называемых шаперонами.

Однако часто образованный на рибосоме пептид не активен. Для образования активного белка часто требуется его последующая модификация. Этот процесс получил название созревания белка. Он может включать в себя различные процессы.

Во-первых, почти всегда от белка отщепляется первый остаток метионина, с которого начинался его синтез. Часто кроме него отщепляется еще несколько аминокислот. Иногда выщепляются участки из середины полипептидной цепи, тогда готовый белок, синтезированный в виде одной полипептидной цепочки на одной мРНК, превращается в белок, состоящий из двух субъединиц. Кроме того, могут происходить химические модификации отдельных аминокислотных остатков.

Наиболее частые модификации – присоединение фосфорной кислоты к остаткам серина, треонина и тирозина, метилирование аминогрупп лизина и гистидина, окисление пролина. Но наиболее заметными модификациями белков является их гликозилирование, т.е. присоединение к ним моно- или олигосахаридов.

Особенно часто такие модификации встречаются у белков эукариот. В некоторых случаях масса присоединенных углеводных остатков сравнима с массой самого белка. В наибольшей степени гликозилированы белки, находящиеся на поверхности клеток или выделяемые клетками в окружающую среду. Такая модификация делает белок более устойчивым к различным денатурирующим факторам и действию протеолитических ферментов. Кроме того, углеводные группы на поверхностных белках клеток играют важную роль в межклеточном узнавании.

Следует отдельно остановиться на синтезе белков клеточных органелл и мембран. Такие белки не могут образовываться в цитоплазме, т.к. они нерастворимы и образовали бы агрегаты. Поэтому в мРНК для таких белков закодирована специальная аминокислотная последовательность, называемая сигнальным пептидом. Она располагается на N-конце белка, т.е. синтезируется первой. Как только сигнальный пептид высунется из рибосомы, с ним связывается специальный комплекс РНК и белков, называемый SRP-частицей. Эта частица связывается также и с рибосомой, не давая ей синтезировать белок дальше.

Затем комплекс «рибосома-SRP-частица» находит в мембранах эндоплазматического ретикулума специальный белковый комплекс, который имеет высокое сродство к рибосоме и сигнальному пептиду. Он вытесняет SRP-частицу и связывает рибосому таким образом, что синтезируемый пептид по специальному каналу проходит внутрь мембраны. Если синтезируется мембранный белок, то он в процессе синтеза встраивается в мембрану. Если же синтезируемый белок должен попасть внутрь органеллы или выйти из клетки, то он проходит по каналу на другую строну мембраны.

После того, как сигнальный пептид прошел сквозь мембрану, он расщепляется. Оставшийся белок обычно гликозилируется, а если это мембранный белок, к нему часто присоединяются остатки жирных кислот или углеводородные радикалы.

Для разной локализации в клетке существуют разные сигнальные последовательности. Связывающие рибосомы комплексы на мембранах эндоплазматического ретикулума обычно концентрируются в определенных участках мембраны. К этим участкам присоединяется одновременно большое число рибосом. В электронном микроскопе такие участки мембран выглядят как шероховатый ретикулум.

Несмотря на общность механизмов биосинтеза белка у разных организмов, надо отметить, что рибосомы и другие компоненты белоксинтезирующего аппарата несколько отличаются у прокариот и эукариот. На этом основано специфическое ингибирование биосинтеза белка у бактерий под действием некоторых веществ, прежде всего антибиотиков. Примерно половина всех известных антибактериальных антибиотиков действует на рибосомы бактерий и не действует на рибосомы животных. К таким антибиотикам относятся тетрациклин, хлорамфеникол (левомицетин), эритромицин и многие другие.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Какие взаимодействия удерживают аминоацил-тРНК в А-участке?

2. Откуда берется и на что расходуется энергия в процессе биосинтеза белка? Каков коэффициент полезного действия этого процесса?

3. Какие белковые факторы участвуют в биосинтезе белка? Каковы их функции?

4. Что такое созревание белка?

5. Где происходит синтез мембранных белков?

6. Что определяет локализацию синтезированного белка в клетке?

Литература

Спирин А.С. Принципы функционирования рибосом // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. №4. С. 2–9.

Спирин А.С. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 6. С. 2–7.

Итговая работа

Подготовьте материалы для проведения урока по одной из следующих тем.

1. Строение и функции белков.

2. Строение и биосинтез нуклеиновых кислот.

3. Матричный синтез биополимеров. Генетический код.

4. Биосинтез белка на рибосоме.

Материалы должны содержать лекцию (на 25–30 мин), контрольные вопросы для устного ответа учащихся на уроке и тесты (5–8 с одним правильным вариантом ответа и 3–5 с несколькими правильными вариантами ответов) для письменной проверки знаний всех учащихся класса.

Работа должна быть отпечатана на компьютере или пишущей машинке на стандартных листах формата А4. Стиль изложения свободный. Объем материала не ограничен.

Итоговая работа должна быть отправлена в «Педагогический университет» не позднее 28 февраля 2005 г.