Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Молекулярные основы и механизмы наследственности
Экспрессия генов
Трансляция генетического кода

Трансляция — это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) на язык последовательности аминокислот в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5' → 3'. В процессе трансляции различают стадии:

1) активация аминокислот;

2) аминоацилирование тРНК;

3) собственно трансляция.

Активация аминокислот. Это процесс присоединения аминокислоты с помощью своей карбоксильной группы к a-фосфату АТР с помощью специ­фической аминоацил-тРНК-синтетазы (рис. 3.10). Реакция сопровождается высвобождением неорганического пирофосфата и образованием аминоацил-аденилата (АК-АМР). Аминоацил-аденилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизируется благодаря прочному связыванию с ферментом. Данный процесс характеризуется высокой специфичностью: для каждой аминокислоты существует собственный фермент (ферменты).

Рис. 3.10. Активация аминокислот в ходе трансляции

Аминоацилирование тРНК. Представляет собой перенос аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоацил-аденилата на 2'- или 3'-ОН-группу концевой рибозы тРНК в акцепторной ветви (рис. 3.11).

Ключевой особенностью реакции, приводящей к аминоацилированию тРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоедине­ние к тРНК каждой из 20 аминокислот, встречающихся в белках, катализиру­ется определенной аминоацил-тРНК-синтетазой. Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19 других и перенести ее к одной или нескольким изо­акцепторным тРНК из имеющихся примерно 75 других тРНК. При этом сле­дует подчеркнуть высокое сходство в структуре многих аминокислот (лейцин, валин и изолейцин; валин и треонин; аспарагиновая и глутаминовая кислоты; и др.), а также удивительное сходство вторичной и третичной структур тРНК. Поэтому даже очень высокой специфичности, присущей данным ферментам, оказывается недостаточно, чтобы не допустить ошибок, и синтетазы могут исправлять ошибки, происходящие при присоединении. Это имеет место при гидролизе связи между аминокислотой и АМР в комплексе фермент — аминоацил—аденилат. В таком случае формирование ошибочно аминоацилированной тРНК предотвращается. Напротив, механизм, с помощью которого удалялось бы уже присоединенная к тРНК неправильная аминокислота, от­сутствует. В таких случаях аминокислота занимает неправильную позицию в белке. Частота таких ошибок очень низка (на­пример, в гемоглобине кролика 10^-5).

Рис. 3.11. Образование аминоацил-тРНК

Собственно трансляция. Процесс трансляции осуществляется на рибо­сомах — клеточных органеллах, представляющих собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикреп­ленными к рибосоме. У прокариот и эукариот рибосомы различаются по ве­личине и составу (рис. 3.12). Коэффициент седиментации рибосом прокариот составляет 70S (S — Сведберг, единица измерения скорости, с которой час­тица оседает при центрифугировании; 1S = 10^-13 с), а у эукариот для рибосом, обнаруживаемых в цитоплазме, он равен 80S.

Рибосомы при определенных условиях могут диссоциировать на большую и малую субчастицы, а каждая субчастица, в свою очередь, на составляющие молекулы белка и РНК (рис. 3.12). Все эти компоненты могут снова ассоциировать с образованием функционально активной рибосомы, если созданы соответствующие условия.

Рис. 3.12. Структура и состав рибосом прокариотических и эукариотических клеток

Электронно-микроскопические исследования 70S-рибосом показали, что малая и большая субчастицы соприкасаются в нескольких точках, причем между ними образуется бороздка, необходимая для размещения мРНК во время трансляции. Для понимания процесса трансляции важны два основных в функциональном отношении участка на 70S-рибосоме. Участок (сайт) А служит для присоединения аминоацил-тРНК, а с сайтом Р связывается рас­тущая пептидная цепь.

В процессе трансляции, кроме аминоацил-тРНК и рибосом, принимает участие большое количество вспомогательных белков — факторов инициа­ции, элонгации и терминации транскрипции.

Суть процесса трансляции состоит в последовательном декодировании мРНК в направлении 5' → 3' с помощью аминоацилированных тРНК, в ходе которого происходит последовательная конденсация аминокислотных остат­ков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к кар­боксильному (С)-концу. Матричный принцип процесса соблюдается при уз­навании комплементарных нуклеотидов в составе очередного кодона мРНК и антикодона тРНК. Наиболее полно трансляция изучена у прокариот, и меха­низм этого процесса будет рассмотрен на примере трансляции у E. coli.

Инициация трансляции. Считывание мРНК начинается с кодона AUG, который обозначает 5'-конец кодирующей последовательности и детермини­рует N-концевую (первую) аминокислоту синтезируемого полипептида. Для инициации трансляции необходимо наличие 30S-субчастицы рибосомы, кото­рая связывается в комплекс с белками — факторами инициации (IF1, IF2, IF3), GTP и Fmet-тРНК. Такой полный комплекс связывается с 5'-концом ко­дирующей последовательности мРНК вблизи кодона AUG. Очевидно, IF2 способен отличить Fmet-тРНК (формил-метионин-тРНК) от met-тРНК, кото­рая связывается с кодонами AUG во внутренней части мРНК, но не может начать трансляцию со стартового кодона AUG. Эта специфичность обеспечи­вается N-формильной группой, отсутствующей у met-тРНК.

Распознавание стартового кодона осуществляется следующим образом. Связывание 30S-субчастицы с мРНК находится под строгим контролем нук­леотидной последовательности, расположенной примерно за 10 нуклеотидов до 5'-конца стартового кодона. Взаимодействию способствует комплементар­ное спаривание этой богатой пуринами последовательности с полипиримиди­новым участком, находящимся в составе 16S-рРНК. Процесс инициации за­висит от многих условностей в структуре взаимодействующих участков, в том числе от вторичной структуры того участка молекулы мРНК, в котором нахо­дится стартовый кодон AUG. Это имеет значение для процессов регуляции эффективности синтеза белка.

Итак, при инициации указанный комплекс связывается с Р-сайтом 30S-субчастицы рибосомы, и первой аминокислотой в составе пептида будет фор­мил-метионин. Далее следует присоединение 50S-субчастицы рибосомы и формируется 70S-инициирующий комплекс (рис. 3.13). Источником энергии для инициации синтеза белка служит расщепление GTP до GDP и Pi.

Элонгация трансляции. Для образования первой пептидной связи необ­ходимо, чтобы аминоацил-тРНК, соответствующая следующему кодону, за­няла А-участок рибосомы. Для этого аминоацил-тРНК должна сначала свя­зать белок EF-Tu (один из факторов элонгации) и GTP. Образовавшийся тройной комплекс (аминоацил-тРНК-[EF-Tu-GTP]) и доставляет аминоацил- тРНК к А-участку. GTP в это время гидролизуется, и комплекс (EF-Tu-GDP) отделяется от рибосомы. Когда оба участка, А и Р, заняты, пептидилтрансферазная активность 50S-субчастицы катализирует перенос группы Fmet с ее тРНК на аминогруппу аминоацил-тРНК, находящуюся в А-участке (рис. 3.14). В результате в А-участке оказывается дипептидил-тРНК, а в Р — свободная тРНК (рис. 3.13).

Пептидилтрансферазная активность рибосом связана, по-видимому, не с белковой частью 508-субъединицы, а с одним из РНК-компонентов — рибозимов.

Рис. 3.13. Трансляция генетического кода:     1 — образование 70S-инициирующего комплекса; 2 — связывание аминоацил-тРНК с участком А рибосомы; 3 — формирование пептидной связи; 4 — транслокация ри­босомы. В процессе элонгации повторяются стадии 2—4

Для прочтения следующего кодона и удлинения полипептидной цепи еще на одну аминокислоту вся серия реакций должна повториться. Однако прежде чем это произойдет, свободная тРНК освобождает Р-участок, образовавшаяся дипептидил-тРНК перемещается на него с А-участка (при этом не происходит взаимодействия кодона с антикодоном), а рибосома продвигается скачкооб­разно (на 3 нуклеотида) в сторону 3'-конца мРНК. Все эти процессы осущест­вляются с помощью фактора элонгации EF-G при GTР-зависимой трансло­кации рибосомы. В результате этих трех актов освобождается участок А и экспонируется следующий кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис. 3.13). Следует отметить, что при образовании каждой пеп­тидной связи расходуется энергия, равная четырем энергетическим эквива­лентам (если за один эквивалент принять энергию образования фосфатной связи): два эквивалента АТР потребляются при аминоацилировании тРНК и два эквива­лента GTР — в каждом цикле элонгации.

Рис. 3.14. Образование пептидной связи между первыми двумя амино­кислотами на рибосомах

Терминация трансляции. Процесс последовательной трансляции кодо­нов, в конце концов, доходит до того момента, когда в А-участке оказывается один из трех терминирующих кодонов — UAG, UAA или UGA. В природе не существует таких тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодо­нам. Здесь вступают в действие факторы терминации — RF-1 и RF-2, кото­рые катализируют отсоединение полипептидной цепи от тРНК, тРНК — от рибосомы, а 70S-рибосому — от мРНК.

После инициации трансляции 70S-рибосома удаляется от сайта инициа­ции по мере считывания каждого последующего кодона. Когда расстояние от рибосомы до сайта инициации достигнет величины 100—200 нуклеотидов, в этом сайте может произойти новая инициация. Более того, как только вторая рибосома пройдет такое же расстояние, может произойти третья инициация, и т. д. Итак, одну и ту же белок-кодирующую последовательность мРНК могут одновременно транслировать несколько рибосом. Подобные мультирибосомные трансляционные комплексы называются полирибосомами или полисомами.

Матричные РНК, состоящие из нескольких белок-кодирующих участков, часто транслируются последовательно: когда рибосома доходит до терминирующего кодона в первой последовательности, она отделяется от мРНК и со следующим инициирующим участком связывается новый комплекс. Иногда этого не происходит, и транслирующая первую кодирующую последователь­ность рибосома, не отделяясь, перемещается вдоль мРНК, инициируя транс­ляцию в других сайтах.

В некоторых случаях трансляция первой кодирующей последовательности может начаться и даже завершиться еще до окончания транскрипции осталь­ных последовательностей, как, например, в случае lac- или trр-оперонов E.coli.

Особенности трансляции у эукариот. Процесс трансляции эукариоти­ческой мРНК в основном аналогичен таковому для прокариот. Однако имеет­ся ряд отличий. Во-первых, аппараты транскрипции и трансляции у эукариот разобщены во времени и в пространстве, поскольку транскрипция осуществ­ляется в ядре, а трансляция — в цитоплазме. Во-вторых, инициирующей аминоацил-тРНК у эукариот служит не Fmet-тРНК, а специальная иниции­рующая met-тРНК. В-третьих, на 5'- и 3'-концах эукариотичеких мРНК име­ются особые структуры — «кэпы» и «шлейфы», принимающие участие в трансляции. Известно, что отдельные факторы инициации трансляции узнают кэпированные области для связывания с мРНК и начала процесса трансля­ции.