Современные представления о синтезе белка: синтез аминоацил-тРНК, представление о синтезе полипептидных цепей на рибосомах. Посттрансляционныый процессинг белковых молекул.

Процесс трансляции представляет собой заключительную фазу реализации генетической информации в системе ее переноса в генеральном направлении: ДНК ––® РНК ––® Белок.

Синтез функционально полноценных белковых молекул включает в себя следующие этапы:

Ø Подготовка пластического материала для сборки полипептидных цепей на рибосомах — процесс рекогниции (узнавания).

Ø Сборка полипептидных цепей на рибосомах в соответствии с информацией, поставляемой на рибосомы мРНК — процесс трансляции.

Ø Преобразование синтезированных на рибосомах полипептидных цепей в функционально полноценные белковые молекулы — посттрансляционный процессинг.

 

Каждая тРНК в своей структуре имеет антикодон, способный к комплементарному взаимодействию с соответствующим кодоном мРНК, однако тРНК не имеют в своей структуре участков, комплементарных той или иной аминокислоте.

Присоединение аминокислоты к “своей” тРНК, например, Ала к тРНК^Ала, осуществляется с помощью специальных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз.

Каждая аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует двухстадийную реакцию:

Ø на первом этапе которой в активном центре фермента связывается молекула ”своей” аминокислоты и молекула АТФ, с образованием аминоациладенилата - остатка аминокислоты, связанного макроэргической связью с фосфатной группой АМФ.

Ø На втором этапе к активному центру фермента присоединяется тРНК, антикодон которой комплементарен кодону аминокислоты, связанной в активном центре в виде аминоациладенилата

В каждой клетке имеется как минимум 20 различных аминоацил-тРНК-синтетаз, по одной на каждую из 20 аминокислот.

Синтез полипептидных цепей на рибосомах

Сборка полипептидных цепей белков происходит на рибосомах в соответствии с информацией, поступающей из ядра с м-РНК.

Рибосомы эукариот представляют собой клеточную органеллу, состоящую из двух субъединиц: малой и большой

В составе рибосомы имеется 4 функциональных центра:

1. центр связывания мРНК;

2. П-центр - центр связывания тРНК, несущей синтезируемую полипептидную цепь;

3. А-центр - центр связывания тРНК, несущей очередную аминокислоту, которая будет присоединяться к синтезируемой полипептидной цепи;

4. Т-центр или пептидилтрансферазный центр, обеспечивающий образование пептидных связей в синтезируемом полипептиде:

Процесс трансляции принято делить на три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации синтеза полипептида необходимы рибосома, диссоциированная на субъединицы; инициирующая тРНК, в качестве которой в клетках эукариот используется тРНК^Мет, нагруженная метионином; мРНК; ГТФ; кроме того, необходимо несколько белков-факторов инициации: эФИ-1, эФИ-2, эФИ‑3, эФИ-4 (А, В, С), причем фактор инициации эФИ-3 необходим для диссоциации рибосомы на субъединицы. Инициация начинается с взаимодействия Мет-тРНК с малой субъединицей рибосомы, для этого необходимы факторы инициации ФИ-4 эФИ-2 и ГТФ. Параллельно идет взаимодействие 5'-конца мРНК с КЭП-связывающим белком. Затем мРНК вместе с КЭП-связывающим белком взаимодействует с малой субъединицей рибосомы, нагруженной Мет-тРНК.

Далее малая субъединица продвигается по мРНК в направлении от ее КЭПа к 3'-концу, пока не достигнет инициирующего кодона АУГ.

Сформировавшийся комплекс, состоящий из малой субъединицы рибосомы, связанной с мРНК и инициаторной Мет-тРНК подучил название инициирующего комплекса.

Этот инициирующий комплекс, в состав которого входят также ГТФ и два инициаторных белка, взаимодействует с большой (60S) субъединицей рибосомы. В ходе этого взаимодействия происходит расщепление ГТФ до ГДФ и Ф, высвобождается КЭП-связывающий белок и ряд факторов инициации. После присоединения большой субъединицы рибосомы Мет-тРНК оказывается в П-центре рибосомы, а А-центр свободен и может связывать следующую аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в А-центре рибосомы.

В ходе следующей фазы — фазы элонгации — происходит последовательное присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой полипептидной цепи в направлении от ее N-конца к С-концу. Процесс элонгации идет циклически, причем в ходе цикла полипептидная цепь увеличивается на один аминокислотный остаток.

Цикл элонгации начинается с взаимодействия аминоацил-тРНК (Аа-тРНК), антикодон которой комплементарен кодону мРНК, находящемуся в А-центре рибосомы, с ГТФ и белковым фактором элонгации I (ФЭ-1):

Образовавшийся комплекс взаимодействует с рибосомой. В ходе взаимодействия тРНК с аминокислотой связывается в А-центре рибосомы так, что ее антикодон взаимодействует с кодоном мРНК. В результате в А-центре рибосомы оказывается А/а-тРНК, а в П-центре оказывается тРНК, несущая синтезируемую полипептидную цепь (или Мет-тРНК, если речь идет о первом цикле элонгации):

Под действием пептидилтрансферазы Т-центра рибосомы синтезируемая полипептидная цепь с тРНК, находящейся в П-центре рибосомы, переносится на NH₂-группу аминокислоты, связанной с тРНК в А-центре 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 П-центр рибосомы, а рибосома передвигается по мРНК в направлении ее 3'-конца на расстояние, равное одному кодону. В результате перемещения рибосомы в ее П-центре оказывается тРНК, несущая синтезируемый полипептид, а в ее А-центре — следующий кодон матричной РНК. Рибосома готова к новому циклу элонгации. Количество циклов элонгации определяется количеством кодонов в зоне трансляции мРНК.

После многих циклов элонгации, в результате которых синтезируется полипептидная цепь того или иного белка, в А-центре рибосомы оказывается один из терминирующих кодонов: УАА, УГА, УАГ. Начинается следующая фаза — фаза терминации транскрипции. Появление в А-центре терминирующего кодона узнается с помощью белковых высвобождающих факторов или R-факторов. R-факторы при участии ГТФ и пептидилтрансферазы Т-центра рибосомы гидролизуют связь между синтезированным полипептидом и тРНК, находящейся в П центре рибосомы. Синтезированный полипептид уходит с рибосомы. Далее из П-центра рибосомы уходит освобожденная от синтезированного полипептида тРНК, а затем рибосома покидает мРНК. Свободная рибосома диссоциирует на субъединицы и может начинать синтез новой полипептидной цепи.

Процессинг полипептидных цепей белков

 

Синтезированная в ходе транскрипции полипептидная цепь должна претерпеть ряд изменений, прежде чем она превратится в функционально полноценную белковую молекулу. Для разных белков характер этих превращений будет различным.

Наиболее общими механизмами процессинга являются:

Ø отщепление от синтезированной полипептидной цепи N ‑концевого остатка метионина;

Ø формирование третичной структуры с образованием дисульфидных мостиков между HS-группами цистеиновых остатков.

Ø химическая модификация аминокислотных остатков: гидроксилирование (превращение остатков пролина в гидроксипролин), метилирование (NH₂-группы остатков лизина в гистонах), иодирование (остатки тирозина в составе тиреоглобулина) и др.

Ø присоединение небелковых группировок при образовании сложных белков.

Ø превращение пробелков в функционально активные молекулы путем отщепления от их полипептидных цепей строго определенной части молекулы - ингибиторного пептида. Данный механизм получил название ограниченный избирательный протеолиз. Например, пробелок трипсиноген превращается в каталитически активный трипсин или проинсулин превращается в инсулин.

 

ВЗАИМОСВЯЗЬ И РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ