Биосинтез белка

Биосинтез белка представляет собой удивительный и очень сложный процесс. Сложный хотя бы потому, что в нем принимают участие многие биологические соединения и надмолекулярные комплексы. Биосинтез белка является завершающим этапом реализации генетической информации, закодированной в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Посредником в передаче генетической информации является матричная, или информационная, рибонуклеиновая кислота (мРНК). Биосинтез белка невозможен без участия еще двух видов РНК - транспортных (тРНК) и рибосомных (рРНК).

Понятие о нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые кислоты - биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды, связанные между собой фосфодиэфирными связями.

В состав нуклеотидов входят следующие компоненты: углевод (рибоза в РНК, 2-дезоксирибоза в ДНК), азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил в РНК; аденин, гуанин, цитозин и тимин в ДНК), фосфорная кислота. Примером трифосфатного нуклеотида может служить АТФ.

Транспортные РНК(тРНК) составляют 10% от всех РНК клетки. Основной функцией тРНК является перенос аминоацилов из цитоплазмы на рибосому, где происходит биосинтез белка. Каждая тРНК способна связывать только одну аминокислоту, поэтому конкретную тРНК называют по названию аминокислоты, которую она связывает. Например, тРНК, связывающая аланин, называется аланиновой тРНК или сокращенно - тРНК^ала.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют основную массу клеточных (80 - 85%). В клетках эукариот существует несколько разных рРНК, отличающихся массой и структурой: две высокомолекулярные и две низкомолекулярные. Вместе с белками рРНК образуют рибосомы (рис. 17).

133

Рибосома представлена двумя субчастицами - большой и малой. Большая субчастица рибосомы состоит из одной высокомолекулярной рРНК, двух низкомолекулярных рРНК и 41 белка. В состав малой субчастицы рибосомы входит другая высокомолекулярная РНК и 31 белок. Кроме структурной, рРНК выполняют специфические функции в биосинтезе белка.

Рис. 17. Структура рибосомы

Матричные РНК (мРНК). На долю мРНК приходится 3,5% всех клеточных РНК. Матричные мРНК очень разнообразны, что понятно: в них закодирована информация о различных белках. Но несмотря на это во всех мРНК выделяют сходные по структуре и функциям элементы. Так, в их составе есть информативные и неинформативные зоны. Информативные зоны являются матрицей в биосинтезе белков; именно в этих зонах заложена информация о структуре протеинов. Информативная зона любой мРНК начинается тринуклеотидом - кодоном АУГ, а заканчивается одним из трех кодонов - УАА, УГА, УАГ.

Неинформативные зоны, расположенные по обе стороны от информативной, участвуют в осуществлении регуляции биосинтеза белка.

Все упомянутые РНК взаимодействуют друг с другом в процессе биосинтеза белка. Основной принцип взаимодействия - комплементарность. Комплементарность - это взаимосоответствие азотистых оснований: аденину соответствует урацил, а гуанину - цитозин; пары комплементарных азотистых оснований связаны друг с другом водородными связями (рис. 18).

134

Условно процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа, имеющих разную локализацию: первый этап - цитоплазматический, второй - рибосомный.

Рис. 18. Принцип комплементарности азотистых оснований нуклеиновых кислот: а) - образование водородных связей (...) между тимином (Т) и аденимом (А); б) - образование водородных связей (...) между цитозином (Ц) и гуанином (Г)

Цитоплазматический этап биосинтеза белка. Во всех типах клеток первой стадией биосинтеза белка является превращение аминокислоты в аминоацил-тРНК. Этим достигаются две цели:

• повышение реакционной способности аминокислоты в реакции образования пептидной связи (активация);
• соединение аминокислоты со специфической тРНК (отбор).

Катализируют процесс активации и отбора аминокислот ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы). Клетки организма содержат 20 АРСаз - по одному ферменту на каждую протеиногенную аминокислоту. АРСазы образуют самую многочисленную группу ферментов, участвующих в передаче генетической информации. Они обладают сверхспецифичностью: во-первых, узнают нужную тРНК и соответствующую ей аминокислоту, а во-вторых,

135

следят за безошибочным аминоацилированием тРНК. В общем виде этот процесс можно представить схемой:

Аминокислота

Аминоацил-тРНК

Рибосомный этап биосинтеза белка. Трансляция мРНК в полипептидную цепь происходит на рибосомах. В клетках организма человека большая часть рибосом связана с мембранами эндоплазматического ретикулума.

В процессе трансляции можно выделить три этапа:

• 1) инициация;
• 2) элонгация (удлинение полипептидной цепи);
• 3) терминация синтеза.

Инициация синтеза белка. Для начала синтеза полипептидной цепи необходимы: рибосома, мРНК, инициирующая N-формил-метионил-тРНК^мет, белковые факторы инициации, гуанозинтрифосфорная кислота (ГТФ). Во всех синтезируемых белках первой аминокислотой является N-формилметионин, кодируемый кодоном мРНК-АУГ, названным инициирующим кодоном. Радикал формил защищает аминогруппу (N-конец) метионина растущей полипептидной цепи.

Белковые факторы трансляции - семейство белков, не входящих в состав рибосомы постоянно, взаимодействуют с ней на разных этапах трансляции. На каждом этапе синтеза полипептидной цепи принимают участие разные белковые факторы. На этапе инициации принимают участие белковые факторы инициации, отвечающие за присоединение мРНК к рибосоме и за закрепление N-формилметионил-тРНК на кодоне АУТ. тРНК^мет закрепляется на кодоне АУТ с помощью комплементарного тринуклеотида УАЦ, который называется антикодоном.

В результате согласованного действия всех участников этапа инициации происходит сборка транслирующей рибосомы - комплекса, состоящего из рибосомы, мРНК и N-формилметионил-тРНК. Сборка транслирующей рибосомы является энергозависимым процессом,

136

энергию для которого поставляет гидролиз ГТФ. В транслирующей рибосоме выделяют два центра: пептидный (Р) и аминоацильный (А). На этапе инициации N-формилметионил-тРНК присоединяется к мРНК в пептидильном центре, все последующие аминоацил-тРНК присоединяются к мРНК в аминоацильном центре.

Элонгация полипептидной цепи. На этапе элонгации происходит постепенное наращивание полипептидной цепи. Для осуществления этапа элонгации необходимы: транслирующая рибосома, аминоацил-тРНК, соответствующая кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ, фермент пептидилтрансфераза, белковые факторы элонгации, две молекулы ГТФ на каждую вновь образующуюся пептидную связь. Белковые факторы элонгации обеспечивают связывание аминоацил-тРНК с соответствующим кодоном мРНК, а также продвижение рибосомы вдоль мРНК. Пептидилтрансфераза - это фермент, обеспечивающий рост полипептидной цепи. Он является одним из белков большой субчастицы рибосомы.

Этап элонгации условно можно разбить на три стадии. Первая стадия отвечает за правильное закрепление аминоацил-тРНК на соответствующем кодоне мРНК в аминоацильном центре рибосомы. Этому способствуют белковые факторы элонгации.

На второй стадии происходит образование пептидной связи между двумя аминокислотными остатками; катализирует этот процесс пептидилтрансфераза. Сначала происходит разрыв сложно-эфирной связи между N-формилметионил-тРНК^мет; затем пептидилтрансфераза осуществляет перенос N-формилметионила к аминогруппе аминоацила, закрепленного посредством тРНК в аминоацильном центре рибосомы и образует пепсидную связь. В результате действия пептидилтрансферазы в пептидильном центре остается свободная тРНК^мет, а в аминоацильном - дипептидил-тРНК.

На третьей стадии элонгации происходят три перемещения. Рибосома передвигается вдоль мРНК на расстояние одного кодона. В результате такого перемещения кодон АУГ и тРНК^мет оказываются за пределами рибосомы, в пептидильном центре располагается дипептидил-тРНК, а аминоацильный центр освобождается для новой аминоацил-тРНК. Третья стадия элонгации представляет собой пример направленного биологического движения, энергию для которого обеспечивает гидролиз ГТФ, называемого транслокацией. После транслокации рибосома готова к новому этапу элонгации.

Элонгация повторяется столько раз, сколько смысловых кодонов содержит мРНК. Рисунок 19 дает представление о матричном механизме биосинтеза белка на рибосоме.

137

Терминация полипептидной цепи. Этап терминации обеспечивают белковые факторы терминации и фермент пептидилэстераза, локализованный в большой субчастице рибосомы. Энергию для осуществления этапа терминации обеспечивает гидролиз ГТФ.

Рис. 19. Схема синтеза белка в рибосоме (этап элонгации)

138

В структуре мРНК есть кодоны, не несущие информации ни об одной протеиногенной аминокислоте. Они называются бессмысленными или терминаторными. Таковыми являются кодоны УАА, УАГ, УГА. Эти кодоны (либо один из них) расположены сразу за последним смысловым кодоном мРНК. Ни одна тРНК не способна распознать терминаторные кодоны, их опознают белковые факторы терминации. Как только рибосома достигает одного из них, факторы терминации присоединяются к терминаторному кодону. В этот момент происходит активирование пептидилэстеразы, которая гидролизует сложноэфирную связь между полипептидом и последней тРНК.

Заключительной фазой терминации, а следовательно, и всего процесса трансляции, является диссоциация комплекса, в который входят рибосома, мРНК, тРНК, вновь синтезированный пептид и белковые факторы терминации.

Почти всегда мРНК транслируется одновременно множеством рибосом. Образующаяся при этом структура называется полирибосомой или полисомой (рис. 20). Вероятно, преимущество такого процесса заключается в возможности синтеза нескольких копий полипептида, прежде чем мРНК будет расщеплена ферментами деструкции РНК. Размеры полисомных комплексов сильно различаются, но обычно они определяются размерами молекулы мРНК. Молекулы мРНК, состоящие из нескольких тысяч нуклеотидных остатков, могут образовывать комплексы с 50 - 100 рибосомами.

Процессинг белков. Большинство белков синтезируется в виде предшественников, не обладающих нативной структурой. Процесс превращения белка-предшественника в зрелый белок называется созреванием или процессингом. У разных белков процессинг

Рис. 20. Полирибосома

139

протекает различно, однако можно выделить отдельные этапы про-цессинга:

• Образование дисульфидных связей между боковыми радикалами остатков цистеина, стоящих на разных участках полипептидной цепи.
• Расщепление одной или большего числа определенных пептидных связей и превращение полипептида-предшественника в конечный продукт.
• Присоединение простетических групп (углеводов, липидов, коферментов и др.), приводящее к образованию сложных белков и ферментов.
• Химическая модификация боковых радикалов некоторых аминокислотных остатков в определенных белках (фосфорилирование, метилирование, гидроксилирование, карбоксилирование, йодирование и т.д.).
• Ассоциация субъединиц как необходимый этап для белков, обладающих четвертичной структурой.

Код белкового синтеза. Передачу генетической информации от ДНК к белку мождно выразить схемой: ДНК → мРНК → белок. Реализуется эта схема посредством сложных биохимических процессов, протекающих в каждой клетке организма, один из которых - биосинтез белка - был рассмотрен в предыдущем разделе.

Таблица 8

Код белкового синтеза

140

Путем сложных и кропотливых экспериментов было доказано соответствие кодонов мРНК и определенных аминокислотных остатков в структуре белка. Известно, что 20 протеиногенных аминокислот кодирует 61 кодон, т.е. многие аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Исключение составляют метионин и триптофан. Остальные 18 аминокислот кодируются двумя и более кодонами (табл. 8).

141