Биологическая химия - Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. 1998
Биосинтез белка
Трансляция и общие требования к синтезу белка в бесклеточной системе
Непосредственное отношение к механизмам передачи наследственной информации, или экспрессии генов, имеет процесс трансляции, означающий перевод «четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибуквенную речь белков». Другими словами, трансляция сводится к синтезу белка в рибосомах. В этом процессе только последовательность расположения нуклеотидов в мРНК определяет первичную структуру белка, т.е. строго упорядоченную последовательность расположения отдельных аминокислотных остатков в молекуле синтезируемого белка.
Остановимся на анализе тех условий, которые необходимы для осуществления синтеза белка в бесклеточной системе. В современных представлениях о синтезе белка выдающуюся роль сыграли три экспериментальных подхода, разработанные в начале 50-х годов. Во-первых, в классических исследованиях П. Замечника и сотр. при использовании меченых аминокислот был впервые решен вопрос о месте синтеза белка; им оказалась рибосома. При введении крысам 15К-аминокислот и определении радиоактивности белков в различных субклеточных фракциях печени, полученных методом дифференциального центрифугирования через различные промежутки времени, было показано, что радиоактивная метка в первую очередь появляется во фракции микросом и лишь затем в других субклеточных образованиях. Во-вторых, добавление АТФ к белоксинтезирующей системе цитозоля вызывало «активирование» аминокислоты и связывание ее с термостабильной и растворимой формой РНК, впоследствии названной транспортной (тРНК), что приводило к образованию комплекса, названного позже аминоацил-тРНК. Ферменты, катализирующие этот процесс, сейчас называются аминоацил-тРНК-синтетазами. В-третьих, выяснена роль самих адапторных РНК в процессе трансляции.
* Получены экспериментальные доказательства наличия ДНК также в митохондриях (около 1-2% от суммарной ДНК клеток). Она негомологична и некомплементарна ядерной ДНК. Установлено, что ДНК кодирует синтез некоторых структурных белков самих митохондрий и особых митохондриальных РНК.
Таблица 14.1. Состав белоксинтезирующей системы у про- и эукариот в разные стадии синтеза белка
Стадия |
Прокариоты |
Эукариоты |
1. Активация аминокислот |
20 аминокислот 20 аминоацил-тРНК-синтетаз Минимум 20 тРНК АТФ и Mg2+ |
20 аминокислот 20 аминоацил-тРНК-синтетаз Минимум 20 тРНК АТФ и Mg2+ |
2. Инициация |
мРНК Инициаторная аминоацил- тРНК (N-формилметионил- тРНК) |
мРНК Инициаторная аминоацил- тРНК (метионил-тРНК) |
Инициирующий кодон в молекуле мРНК (АУГ) |
Инициирующий кодон в молекуле мРНК (АУГ) |
|
30S и 50S рибосомные субчастицы |
40S и 60S рибосомные субчастицы |
|
Факторы инициации: IF-1, IF-2 и IF-3, ГТФ и Mg2+ |
Факторы инициации: eIF-1, eIF-2, eIF-2A, eIF-3, eIF-4A, eIF-4B, eIF-4C, eIF-4D и кэп-узнающий фактор, ГТФ и Mg2+ |
|
3. Элонгация |
Инициирующий комплекс (функциональная 70S рибосома) |
Инициирующий комплекс (функциональная 80S рибосома) |
Специфические тРНК, определяемые кодонами |
Специфические РНК, определяемые кодонами |
|
Факторы элонгации: EF-Tu, EF-Ts и EF-G, ГТФ и Mg2+ |
Факторы элонгации: eEF-1a, eEF-1ßy и eEF-2, ГТФ и Mg2+ |
|
4. Терминация |
Терминирующие кодоны в молекуле мРНК: УАА, УАГ и УГА |
Терминирующие кодоны в молекуле мРНК: УАА, УАГ и УГА |
Факторы терминации (рилизинг-факторы): RF-1, RF-2, RF-3, АТФ |
Факторы терминации (рилизинг-факторы): eRF, АТФ |
|
5. Процессинг и формирование третичной структуры |
Специфические ферменты и кофакторы, вызывающие освобождение инициирующих остатков и сигнальных последовательностей, ограниченный протеолиз и химическую модификацию |
Специфические ферменты и кофакторы, вызывающие освобождение инициирующих остатков и сигнальных последовательностей, ограниченный протеолиз и химическую модификацию |
Дальнейшие исследования были направлены на поиск других компонентов белоксинтезирующей системы.
Белоксинтезирующая система включает набор всех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных тРНК, обладающих специфичностью к определенному ферменту и определенной аминокислоте; набор минимум 20 различных ферментов — аминоацил-тРНК-синтетаз, также обладающих двойной специфичностью к какой-либо определенной аминокислоте и к одной тРНК; рибосомы (точнее, полисомы, состоящие из 4—12 монорибосом с присоединенной к ним мРНК); АТФ и АТФ-генерирующую систему ферментов; ГТФ, принимающий специфическое участие в стадиях инициации и элонгации синтеза белка в рибосомах; ионы Mg2+ в концентрации 0,005—0,008 М; мРНК в качестве главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующегося в рибосоме; наконец, белковые факторы, участвующие в синтезе на разных уровнях трансляции. Основные компоненты белок-синтезирующей системы про- и эукариотов в разные стадии синтеза белка обобщены в табл. 14.1.
Рассмотрим более подробно структуру и функцию главных компонентов белоксинтезирующей системы.