Этапы трансляции. 
Физиология растений в 2 т. Том 1

Трансляцию делят на следующие этапы:

• 1) активирование аминокислоты и образование ее комплеска с тРНК;
• 2) инициация трансляции;
• 3) элонгация полипептидной цепи;
• 4) терминация трансляции;
• 5) процессинг полипептидной цепи.

Активирование аминокислоты и образование ее комплекса с тРНК.

Для участия в синтезе белка каждая аминокислота должна соединиться со своей тРНК, которая приносит ее к рибосоме. В настоящее время открыто большое число тРНК. У эукариот для одной и той же аминокислоты имеется несколько тРНК. Причем транспортные РНК в хлоропластах и митохондриях часто отличаются от соответствующих данной аминокислоте цитоплазматических тРНК.

Присоединение аминокислоты к тРНК протекает в две фазы и приводит к образованию аминоацил-тРНК (рис. 2.16).^[1]

Рис. 2.16. А- и Р-связывающие участки рибосомы и процесс образования инициирующего комплекса^1.

На первой фазе под действием специфических ферментов и при участии АТФ как источника энергии карбоксильная группа аминокислоты связывается с АМФ. В результате образуется комплекс фермента с активированной аминокислотой и выделяется свободный пирофосфат (ФФ_Н):

На второй фазе активированная аминокислота связывается сложноэфирной связью с молекулой специфичной для нее тРНК:

Активирование аминокислот и их присоединение к транспортным РНК происходит под действием ферментов, получивших название амипоацилтРНК-сиптетаз. Для каждой из аминокислот имеется своя особая синтетаза: одна присоединяет глицин к его тРНК, другая — аланин к его тРНК и т. д.

Функция аминоацил-тРНК-синтетазы заключается в обеспечении высокоспецифической подгонки структуры тРНК к структуре активированной аминокислоты, поэтому для каждой аминокислоты необходим свой специфический фермент. Специфичность аминоацил-тРНК-сингетазы обеспечивается исключительно структурой тРНК. Ферменты активны в присутствии ионов магния.

Инициация трансляции. Трансляция начинается со сборки инициаторного комплекса в том месте мРНК, с которого должен начаться синтез полипептидной цепи. Для образования инициаторного комплекса необходимы мРНК, субчастицы рибосомы, инициаторная тРНК, три белковых фактора инициации {IF-1, IF-2, /F-З), а также ионы магния и ГТФ. Выбрать правильную точку начала синтеза полипептидной цепи на молекуле мРНК помогает малая субчастица рибосомы, действующая совместно с факторами инициации, но в отсутствие большой субъединицы.

Образование инициирующего комплекса протекает в несколько фаз (рис. 2.17).

У прокариот на первой фазе инициации 305-рибосомная субчастица соединяется с инициирующим фактором (IF-3). Этот фактор мешает объединению 305- и 505-субчастиц рибосомы. К комплексу 305-субчастицы с IF-3 присоединяется мРНК таким образом, что ее инициирующий (стартовый) кодон AUG связывается с определенным участком 305-субчастицы. Правильное расположение инициирующего кодона на 305-субчастице обеспечивается за счет комплементарных взаимодействий последовательности из восьми нуклеотидов на 5'-конце мРНК (последовательность Шайна — Дальгарно) и последовательностью 165-рРНК 305-субчастицы.

На следующей фазе инициации комплекс, состоящий из 305-субчастицы, IF-3 и мРНК, соединяется с фактором инициации IF-2, уже связанным с ГТФ и комплексом fMet-тРНКfMet. У прокариот инициирующей аминокислотой является N-формилметионин: CH₃-S-CH₂-CH₂-CH (HN — СОН) — СООН (fMet). Приносит эту аминокислоту к малой частице рибосомы специальная инициаторная тРНК-тРНК/Met. Комплекс fMet-тРНК/Met попадает точно на стартовый кодон AUG мРНК. Подобная точность взаимодействия определяется тем, что для инициирующих и внутренних остатков метионина существует всего лишь один кодон. Инициирующий сигнал с З'-конца мРНК от AUG указывает место, с которым надлежит связаться fMet-TPHK/Met. Тем более, что внутренние кодоны AUG не способны связывать /Met-тРНК/Мet.

Рис. 2.17. Процесс активации АМК с образованием аминоацил-тРНК^1.

На заключительной фазе инициации образовавшийся комплекс взаимодействует с 505-субчастицей рибосомы. Одновременно с этим молекула ГТФ, связанная с IF-2, гидролизуется до ГДФ и фосфата, что сопровождается освобождением из комплекса факторов инициации IF-3 и IF-2, а также ГДФ и фосфата (см. рис. 2.17).

В результате образуется функционально активная 705-рибосома, которая называется инициирующим комплексом. Рибосома содержит мРНК и инициирующую /Met-тРНК/МеЛ. Молекула fMet-т PH К занимает P-участок, а ее антикодон (UAC) взаимодействует с инициирующим кодоном (AUG) на молекуле мРНК. /1-участок рибосомы пока пуст.

У эукариот инициирующей аминокислотой является метионин {Met). Трансляция начинается со связывания комплекса метионина и специфической тРНК (Met-тРНКМеЛ) с факторами инициации и малой субчастицей рибосомы. Затем мРНК присоединяется 5'-концом к комплексу «тРНК — малая рибосомная субчастица», и комплекс продвигается по мРНК до инициирующего кодона (AUG). В молекуле мРНК имеется обычно много триплетов AUG, и каждый из них кодирует метионин. Однако у эукариот лишь ¹

Цит. с изм. по: Молекулярная биология клетки: в 3 т. / Б. Альберте [и др.J. Т. 1. С. 261.

один из этих триплетов AUG узнается инициаторной тРНК, т. е. является старт-кодоном. Для включения метионина во внутренние участки полипептидной цепи используется другая тРНК.

Далее антикодон UAC инициаторной Met-iPWKMet взаимодействует с кодоном AUG мРНК. К комплексу присоединяется большая рибосомная субчастица, и образуется инициирующий комплекс.

Итак, в эукариотических клетках все синтезируемые полипептиды начинаются с остатка метионина, тогда как полипептиды, синтезируемые в митохондриях и хлоропластах, так же как и в бактериях, начинаются с формилметионина. Это является аргументом в пользу симбиотической теории происхождения органелл.

Элонгация полипептидной цепи (рис. 2.18). Основная реакция этого этапа — образование пептидной связи между карбоксильной группой на конце растущей полипептидной цепи и свободной аминогруппой аминокислоты. Приносимые транспортными РНК аминокислоты выстраиваются в определенной последовательности, которая обусловлена очередностью кодонов в мРНК. Каждая тРНК, принося активированные аминокислоты к рибосоме, находит свой антикодон на мРНК, и таким способом аминокислота занимает свое место в белке.

Для этапа элонгации необходимы ионы магния и факторы элонгации-. три белка цитозоля (EF-1, EF-2, EF-3), а также во время этого этапа гидролизуются две молекулы ГТФ. Объединение двух аминокислот, т. е. образование одной пептидной связи, происходит в течение 0,05 с.

Прежде всего, в процессе элонгации молекула аминоацил-тРНК соединяется со свободным Л-участком рибосомы, примыкающим к занятому P-участку. Связывание осуществляется за счет комплементарного спаривания нуклеотидов антикодона с тремя нуклеотидами мРНК, находящимися в Л-участке (см. рис. 2.18).

Комплементарная аминоацил-тРНК доставляется в Л-участок фактором элонгации EF-. Этот фактор не взаимодействует с fMet-rPHKfMet. По этой причине инициаторная тРНК и не попадает в Л-участок. В то же время обычный метионин, связанный с тРНК, взаимодействует с EF-1 подобно всем другим аминоацил-тРНК. Этим и объясняется, что внутренние кодоны AUG не считываются инициаторной мРНК.

Далее карбоксильный конец полипептидной цепи отделяется в Р-участке от молекулы тРНК и образует пептидную связь с аминокислотой, присоединенной к молекуле тРНК в Л-участке. Эта реакция катализируется пептидилтрансферазой — ферментом, прочно связанным с рибосомой. После образования пептидной связи ненагруженная тРНК занимает Р-участок, а дипептидил-тРНК занимает Л-участок.

Следующим шагом является транслокация. Она сводится к тому, что ненагруженная тРНК покидает P-участок, пептидил-тРНК переходит из Л-участка в P-участок и мРНК продвигается на три нуклеотида. В результате следующий кодон занимает нужное положение в Л-участке. Для транслокации необходим третий фактор элонгации (EF-3). В результате транслокации полипептидная цепь, присоединившая один, дополнительный аминокислотный остаток перемещается в Р-участок.

Рис. 2.18. Этапы трансляции (схема)¹:

• 1 — образование инициирующего комплекса рибосомы; 2 — поступление первой аминоацил-тРНК в акцепторный участок; 3 — образование первой пептидной связи 4 — перемещение образованного динептида, соединенного с гРНК в Р-участок
• (см. объяснения в тексте)
• 1 Цит. с изм. по: Ленинджер А. Основы биохимии: в 3 т. Т. 3. С. 940.

После завершения этапа элонгации незанятый Л-участок может принять новую молекулу тРНК, нагруженную следующей аминокислотой. Отделившаяся от P-участка тРНК возвращается в цитозоль, где может присоединить новую аминокислоту.

Считывание информации с мРНК осуществляется триплетами. Причем рамка считывания должна быть правильно установлена на первый нуклеотид триплета молекулы мРНК и затем двигаться последовательно от первого триплета к следующему. Если исходная рамка считывания сбита, то переписывание генетической информации (декодирование) идет неверно.

Рибосома продолжает двигаться вдоль мРНК (ее каждый шаг равен одному кодону) вместе с полипептидной цепью. При этом на каждом шаге к полипептидной цепи прибавляется еще одна аминокислота. Белковая цепь синтезируется путем ее постепенного наращивания в направлении от iV-конца к С-концу. Информационная РНК транслируется в направлении от 5'- к З'-концу.

Следовательно, образование пептидной связи повторяется столько раз, сколько аминокислотных остатков входит в состав полипептидной цепи. В результате синтез любого белка можно представить в виде циклов (см. рис. 2.18), каждый из которых состоит: 1) из присоединения аминоацилтРНК к свободному Л-участку рибосомы; 2) образования пептидной связи между карбоксильным концом полипептидной цепи и новой аминокислотой; 3) транслокации. В бактериальной клетке продолжительность одного цикла около 1/20 с.

Терминация трансляции. Элонгация продолжается, до тех пор пока рибосома не дойдет до одного из кодонов UAA, UAG или UGA, называемых стоп-кодонами, или кодонами-терминаторами. Если Л-участок рибосомы занят одним из стоп-кодонов, то связывания аминоацил-тРПК обычно не происходит. Сигналы терминации распознаются специальными белками — факторами освобождения.

При связывании фактора освобождения с рибосомой изменяется активность пептидилтрансферазы. Фермент с измененной активностью присоединяет теперь к пептидил-тРНК не аминокислоту, а молекулу воды. Вследствие этого карбоксильный конец растущей полипептидной цепи отделяется от молекулы тРНК. Поскольку растущий полипептид удерживается на рибосоме только посредством его связи с молекулой тРНК, завершенная белковая цепь оказывается свободной от рибосомы. Рибосома диссоциирует на субчастицы, которые могут вновь участвовать в трансляции.

Поскольку инициаторная тРНК всегда несет аминокислоту метионин (или у прокариот — формилметионин), у всех новосинтезированных белковых цепей на N-конце обнаруживается остаток метионина. Этот метионин удаляется специфичной аминопептидазой, что весьма существенно, потому что аминокислота, стоящая на iV-копце, может определять время жизни клеточных белков, воздействуя на убиквитипзависимый путь деградации (см. параграф 6.2).

Итак, перенос наследственной информации от мРНК к белку основан на том же принципе спаривания комплементарных оснований, что и перенос генетической информации от ДНК к ДНК и от ДНК к мРНК. Механизм синтеза белка с участием мРНК, тРНК и рРНК универсален. Например, в специальных опытах синтез белка Е. coli шел на рибосомах крысы, помещенных в бесклеточные экстракты этой бактерии.

У прокариот трансляция начинается до того, как закончится образование мРНК, т. е. до окончания транскрипции, поэтому в трансляцию вовлекаются не только полностью синтезированные, но и частично синтезированные мРНК. У эукариот транскрипция и трансляция разделены не только во времени, но и в пространстве: транскрипция идет в ядре, трансляция в цитоплазме лишь после окончания транскрипции.

В ходе синтеза или сразу после него полипептидная цепь самопроизвольно сворачивается, принимая трехмерную пространственную структуру. Пространственную структуру белковой молекулы определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи, т. е. ее первичная структура. Однако часто новосинтезированный белок не может принять необходимую для проявления биологической активности пространственную структуру, пока не подвергнется процессингу.

• [1] Цит. с изм. по: Леиинджер А. Основы биохимии: в 3 т. Т. 3. С. 938.