Биосинтез белка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Трансляция - биосинтез белка. Является этапом реализации генетической программы клеток. В этом процессе информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков.

Во всех живых клетках белки синтезируются рибосомами. Рибосома представляет собой крупную макромолекулу, которая построена из рибосомальных РНК и белков. Для синтеза белка рибосома должна быть снабжена следующими компонентами:

1) программа, задающая порядок чередования аминокислотных остатков полипептидной цепи;

2) аминокислоты, из которых будут строиться белки;

3) энергия (трансляция - очень энергозатратный процесс).

Сама рибосома обладает каталитической функцией: ответственна за образование пептидных связей и, соответственно, за полимеризацию аминокислотных остатков в полипептидную цепь.

1. Программа, задающая чередование аминокислотных остатков, заложена в ДНК, отдельные участки которой (гены) являются матрицами для синтеза РНК (транскрипция). Транскрипция генов и образование матричных РНК обеспечивают поток информации от ДНК к рибосомам.

2. Строительным материалом служат аминокислоты. Но свободные аминокислоты не используются рибосомой. Для того чтобы стать субстратом для рибосомы, аминокислота должна быть акцептирована, то есть ковалентно присоединена. Это акцептирование происходит с участием сопряжённого расщепления АТФ к специальной молекулы РНК (транспортной). Это происходит при помощи аминоацил-тРНК-синтетазы. В результате акцептирования получаются аминоацил-тРНК, которые поступают в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка.

3. Энергия химической связи между аминокислотным остатком и тРНК используется для реакции образования пептидной связи в рибосоме.

Активация аминокислот и образование аминоацил-тРНК обеспечивают поток материала и энергии для рибосомного синтеза белка. В рибосоме встречаются все 3 потока: информации, материала, энергии. Рибосома осуществляет перевод (трансляцию) генетической информации с языка нуклеотидной последовательности матричных РНК на язык аминокислотной последовательности, которая образуется в полипептидной цепи.

Составляющие элементы процесса трансляции:

1) аминокислоты;

2) матричные РНК;

3) транспортные РНК;

4) рибосомы;

5) источники энергии (2 источника - молекулы АТФ и молекула ГТФ);

6) ионы магния Mg2+ (без них трансляция невозможна, именно они стабилизируют структуру рибосомы, без них рибосома распадается);

7) белковые факторы трансляции (инициации, элонгации, терминации трансляции: на всех 3-х этапах используются собственные вспомогательные белковые факторы, которые являются специфическими внерибосомными белками).

Перевод информации, закодированной в ДНК, на язык аминокислот осуществляется в соответствии с правилами генетического кода. Генетический код - система записей генетической информации, выраженная в последовательности нуклеотидов мРНК.

1. Свойства генетического кода

1) триплетность - единицей информации в кодирующей цепи ДНК является триплет (последовательность из 3- нуклеотидов). Каждый триплет кодирует одну аминокислоту. Также он называется кодоном. Ген состоит из серии кодонов, которые последовательно считываются, начиная со стартовой точки, заканчивая точкой терминации. Последовательность нуклеотидов, кодирующая белок, считывается в направлении от 5`- к 3`-концу и соответствует последовательности аминокислот в полипептиде в направлении от N-конца к C-концу.

Число возможных триплетных комбинаций составляет 64. 61 триплет используется ля обозначения 20 аминокислот, остальные 3 являются стоп-кодонами (терминирующими кодонами). Стандартный генетический код предусматривает возможность кодирования 20-ти канонических аминокислот. 21-ая аминокислота, которая кодируется генетическим кодом - селеноцистеин (аналог цистеина с заменой атома S на атом Se). Эта аминокислота появляется в полипептидной цепи в результате контекст-зависимого считывания кодона UGA (это стоп-кодон). Контекст-зависимое прочтение стоп-кодона может привести к появлению полипептидной цеписеленоцистеина. Если за кодирующим участком гена следует особая последовательность, то белково-синтезирующий аппарат интерпретирует кодон UGAне как стоп-кодон, а как кодон, кодирующий именно селеноцистеин. Эта особая последовательность может сворачиваться в трёхмерную структуру - шпильку с 2-мя петлями. Именно эта структура служит сигналом, который заставляет аппарат синтеза белка присоединять к кодону UGAтранспортную РНК, несущую селеноцистеин.

Ещё одно контекст-зависимое переназначение кодона - эпизодическое использование стоп-кодона UAGдля кодирования пиролизина. Это происходит обычно у метанообразующих архей. У архей существует специфическая аминоацил-тРНК-синтетаза, которая непосредственно присоединяет пиролизин к тРНК. У селеноцистеина нет своей собственной кодазы, там присоединяются цистеин и его модификации.

10 лет назад считалось, что только 20 аминокислот кодируются генетическим кодом, а все остальные аминокислоты получаются за счёт модификации уже имеющихся. Теперь стало ясно, что как минимум 22 аминокислоты могут быть закодированы генетическим кодом.

2) вырожденность - так как число возможных триплетных комбинаций превышает число аминокислот, почти каждая аминокислота соответствует более чем одному кодону. Исключением являются 2 аминокислоты - метионин и триптофан. Они имеют только один кодон. Кодирующие одну и ту же аминокислоту кодоны - синонимичные. В трёхбуквенном генетическом коде наиболее важны первые 2 буквы. Третье основание кодона имеет наименьшее значение для его специфичности. Это вырожденность третьего основания.

3) однозначность - каждый триплет кодирует только одну определённую аминокислоту.

4) непрерывность - код внутри гена не содержит знаков препинания. Кодирующие триплеты следуют один за другим.

5) неперекрываемость - каждый нуклеотид входит в состав только одного кодона.

6) коллинеарность - последовательность триплетов в экзонах генов соответствует последовательности аминокислот в белке.

7) универсальность (в последнее время ставится под сомнение) -Генетический код практически всегда одинаков у всех живых организмов (от бактерий до человека). У архей он несколько отличается. Исключения из универсальности генетического кода считаются редкими и чаще всего касаются стоп-кодонов. Систематические изменения кода характерны только для митохондриальной ДНК. Некоторые учёные считают, что митохондриальная ДНК имеет свой собственный генетический код. Если основу генетического кода составляют неперекрывающиеся триплеты, то в зависимости от стартовой точки (с какого нуклеотида начинается прочтение) трансляции должно быть три возможных способа перевода любой нуклеотидной последовательности в белок. Три рамки считывания возможны на любой нуклеотидной последовательности. Рамка считывания, которая состоит из кодирующих аминокислоты триплетов, называется открытой рамкой считывания. Открытая рамка считывания - без стоп-кодона внутри. Транслируемая в белок последовательность включает рамку считывания, состоящую из старт-кодона, серии кодирующих аминокислоты триплетов, одного из трёх стоп-кодонов. Если внутри рамки считывания встречаются стоп-кодоны, то белок с неё не считывается - рамка считывания блокирована. Последовательность нуклеотидов не может выполнять белок-кодирующую функцию, если она блокирована во всех трёх рамках считывания. Обычно на одном участке ДНК открытой является только одна из трёх возможных рамок считывания. Строгое, безошибочное нахождение рибосомой первого кодона определяет и старт, и рамку трансляции мРНК.

2. Участники трансляции

1. тРНК -тРНК занимают в процессе трансляции центральное место, так как они выполняют функцию адаптера, то есть способствуют переводу последовательности нуклеотидных триплетов в последовательность аминокислот. Перед началом трансляции синтезированные в результате разнообразных реакций или полученные с пищей протеиногенные аминокислоты должны пройти стадию активации и присоединиться к транспортным РНК, которые будут доставлять к рибосомам. В большинстве случаев одной аминокислоте соответствует несколько тРНК. ТакиетРНК называются изоакцепторными.

Функционирование тРНК при трансляции сводится к двум уникальным процессам:

1. Первый из них состоит в присоединении аминокислоты к 3`-концу родственной транспортной РНК с помощью специфической аминоацил-тРНК-синтетазы;

2. Второй процесс заключается в специфическом связывании получившейся аминоацил-тРНК с соответствующим кодоном матричной РНК, которая находится в комплексе с рибосомой.

Ключевой особенностью обеих этих реакция является их специфичность, поскольку сбои в образовании аминоацил-тРНК или связывание аминоацил-тРНК с соответствующим кодоном неизбежно приведут к ошибкам в экспрессии генов.

3. Основные особенности структуры тРНК

В любой клетке присутствует очень много разных тРНК. Обычно молекула тРНК состоит приблизительно из 75-85 нуклеотидов и содержит уникальный триплет, который определяет, какую аминокислоту эта тРНК присоединяет и с каким кодоном, соответственно, она может спариться. Практически все тРНК независимо от их нуклеотидной последовательности обладают характерной вторичной структурой, которую называют структурой клеверного листа. Она так называется из-за наличия в ней трёх шпилек. Большинство молекул, которые имеют форму клеверного листа, содержат 4 области, каждая из которых обладает инвариантными свойствами независимо от аминокислотной специфичности этой тРНК.

Первая область. На 3`-конце молекулы всегда находятся 4 неспаренных нуклеотида, 3 из которых - CCA. 5`-конец и 3`-конец цепи РНК образуют акцепторный стебель. Цепи удерживаются вместе благодаря комплементарному спариванию 7-ми нуклеотидов 5`-конца с 7-ю нуклеотидами, находящимися вблизи 3`-конца.

Вторая область. У всех молекул имеется шпилька TШC. Она содержит 2 необычных остатка: риботимидин (T) и псевдоуридин (Ш). Эта шпилька состоит из двухцепочечного стебля из 5-ти нуклеотидов, включая пару GC рядом с петлёй из 7-ми нуклеотидов. ТринуклеотидTШCвсегда расположен в одном и том же месте петли.

Третья область. В антикодоновой шпильке стебель всегда представлен 7-ю спаренными основаниями. Триплет, комплементарный родственному кодону носит название антикодон и находится в петле из 7-ми нуклеотидов. С 5`-конца антикодон фланкирует инвариантный остаток урацила (антикодон ровно посередине). С 5`-конца от этого кодона находится инвариантный остаток урацила и модифицированный цитозин. С 3`-конца примыкает модифицированный пурин (как правило, это аденин).

Четвёртая область. Представлена ещё одной шпилькой, которая состоит из стебля длиной 3-4 пн, а также петли, которая имеет разный размер. Эта петля очень часто содержит в своём составе урацил в восстановленной форме (дигидроурацил), поэтому эту петлю часто называют D-петля. Наиболее сильно варьируют нуклеотидные последовательности стеблей, а также число нуклеотидов между антикодоновым стеблем и стеблем TШC. Это вариабельная (дополнительная) петля. Также может изменяться размер D-петли и расположение дигидроурацила в ней. Все остальные характеристики постоянны.

Рентгеноструктурный анализ некоторых молекул тРНК позволил выявить их третичную структуру. Эта структура более компактна, чем структура клеверного листа, и образуется за счёт внутримолекулярных взаимодействий, которые сближают D-петлю и TШC-петлю. В результате молекула тРНК выглядит так, будто она состоит из 2-х взаимно перпендикулярных частей. В одной части будет находиться акцепторный участок, а в другой части - антикодон. Из-за такого общего вида эта структура получила название L-конфигурация. L-структура представляется более адекватной, чем клеверный лист, если учесть, что тРНК играют роль адаптера при взаимодействии кодона и антикодона на рибосоме. Акцептором для одной и той же аминокислоты обычно служат несколько разных тРНК (изоакцепторные). Эти тРНК имеют разные антикодоны, что позволяет им спариваться с кодонами-синонимами. Отчасти этим и объясняется вырожденность кода (способность разных антикодонов детерминировать одну и ту же аминокислоту). Из акцепторной тРНК узнаются единственной аминоацил-тРНК-синтетазой, специфичной только для данной аминокислоты. Взаимодействие между кодоном, мРНК и антикодоном тРНК происходит путём комплементарного спаривания оснований, но по правилам, которые значительно отличаются от классических, которые описывают взаимодействие пар GC и AU. Правила, описывающие кодон-антикодоновые взаимодействия, сведены в гипотезу неоднозначного спаривания (гипотеза качелей - wobblehypothesis). Эта гипотеза гласит, что образование пары кодон-антикодон в 2-х первых положениях кодона всегда происходит по каноническим правилам. Но в 3-ем основании возможно колебание (неоднозначное спаривание - wobbling). Этот момент объясняется тем, что конформацияантикодоновой петли тРНК допускает значительную подвижность первого основания антикодона. Третье положение кодона будет соответствовать первому положению антикодона. Для выполнения функции адаптера в процессе трансляции матричной РНК транспортная РНК должна связаться с аминокислотой, соответствующей своему антикодону. Этот процесс носит название распознавания (рекогниция). Это происходит в результате АТФ-зависимой реакции, которая катализируется специфическими ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами (кодазы). Эти ферменты обеспечивают правильное взаимодействие аминокислот с тРНК. В ходе реакции АТФ расщепляется на АМФ и неорганический фосфат, а высвобождаемая при этом энергия используется для присоединения карбоксильной группы аминокислоты к одной из карбоксильных групп рибозы на 3`-конце тРНК. Реакция протекает в 2 стадии:

1) На первом этапе карбоксильная группа аминокислоты присоединяется к б-фосфату молекулы АТФ, что сопровождается высвобождением неорганического фосфата и образованием промежуточного продукта - аминоациладенилата. Аминоациладенилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизируется благодаря прочному связыванию с ферментом.

2) Второй этап состоит в переносе аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоациладенилата либо на 2`-конец, либо на 3`-OH-группу концевой рибозы транспортной РНК. Перенос потенциала переноса ацильной группы аминоацил-тРНК более чем достаточно для образования пептидной связи без дополнительного поступления энергии. Ключевой особенностью реакций, приводящей к аминоацетилированиютРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоединение к тРНК каждой из 20-ти аминокислот, которые встречаются в белках, катализируются определённой аминоацил-тРНК-синтетазой (для каждой аминокислоты свой фермент). Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19-ти других и перенести её к одной или нескольким из акцепторных тРНК из имеющихся уже порядка 75-ти тРНК. Поэтому точность первого шага на пути считывания генетической информации обеспечивается чёткой работой аминоацил-тРНК.

Несмотря на то, что все аминоацил-тРНК-синтетазы выполняют одну и ту же функцию, они представляют собой достаточно гетерогенную группу белков. Сами ферменты могут существовать как в виде мономеров, так и виде димеров и даже тетрамеров.

Активной центр синтетазы представлен небольшой частью молекулы. На основе особенностей домена, который образует активный центр фермента, все синтетазы разделяют на 2 класса. Каждый из классов состоит из 10-ти ферментов. Оба класса возникли как независимые белковые последовательности. Каталитический центр фермента, который включает сайты связывания АТФ и аминокислоты, перекрывается вставкой домена, который ответственен за взаимодействие с акцепторной спиралью тРНК, в результате чего акцепторный конец тРНК располагается в непосредственной близости от каталитического участка синтетазы. Отдельный домен отвечает за связывание антикодонового плеча тРНК. Отличие классов ферментов: 2 класса ферментов связывают тРНК с противоположных сторон, в результате чего модели взаимодействия тРНК-белок для 2-х групп этих ферментов выглядят почти как зеркальные отражения друг друга.

Синтетаза 1-го класса, к которой относится, например, глицин-тРНК-синтетаза, контактирует с тРНК со стороны D-петли.

Синтетаза 2-го класса, например, аспарагин-тРНК-синтетаза, контактирует с другой стороной тРНК, она узнаёт вариабельную петлю и большую бороздку акцепторного стебля.

Ещё одним важным свойством кодаз является то, что они обладают редактирующей активностью, которая позволяет тщательно анализировать каждую синтезированную аминоацил-тРНК, и если к тРНК была прикреплена неправильная аминокислота, кодазы способны гидролизовать ошибочное спаривание.

4. Рибосомы

В ходе эволюции живых организмов общий план строения рибосомы практически не менялся. Но рибосомы бактерий, цитоплазмы эукариот и органелл имеют множество различий (по размеру и содержанию белков, как минимум).

Рибосомы - рибонуклеопротеиновые частицы (состоят только из РНК и белков). Рибосомальные белки часто называют р-белками. У прокариот рибосомы рассеяны по всей протоплазме. У эукариот основная масса рибосом локализована в цитоплазме.

В клетках с интенсивной секрецией белка значительная часть цитоплазматических рибосом прикреплена к мембране ЭПР, но часть рибосом остаётся свободной. Синтез белков для внутриклеточных нужд, как правило, происходит на свободных рибосомах. Именно поэтому цитоплазма эмбриональных быстро растущих размножающихся клеток в основном содержит свободные рибосомы. трансляция белок генетический рибосома

Все рибосомы цитоплазматического матрикса образуются в ядрышке эукариотической клетки. Также уэукариот есть специальные рибосомы митохондрий и хлоропластов. Эти рибосомы образуются непосредственно в органеллах.

Полные рибосомные частицы и их субчастицы принято обозначать в соответствии с их коэффициентами седиментации (скоростями осаждения в ультрацентрифуге), которые выражаются в единицах Сведберга.

Всем прокариотическим клеткам свойственны 70S рибосомы. Соотношение масс РНК:белок в прокариотической рибосоме составляет приблизительно 2:1, и рибосома состоит из 2-х субъединиц - 50S и 30S. Каждая из субъединиц рибосомы содержит преобладающую по размерам рРНК и определённое число небольших белков. Большая субъединица может содержать одну или несколько рРНК. Так у E. coli малая субъединица состоит из одной рРНК - 16S и 21-го р-белка. Большая субъединица содержит 2 рРНК- 23S и 5S и около 31-34 р-белков. О р-белках говорят с применением преффиксов (l и s, белки большой и малой субъединц, соответственно). Основную массу бактериальнй рибосомы составляют большие рРНК. Рибосома пронизана ими. Большинство р-белков контактируют непосредственно с рРНК.рРНК образуют остов рибосомы. Полная 70S рибосома имеет асимметричное строение. В малой субъединице различают 4 отдела: головку, шею, тело, платформу (основание). В большой субъединице хорошо различимыцентральный протуберанец (выступ), в котором находится 5SрРНК, а также основной массив, образованный большим количеством копий белка L7. В бороздке между центральным выступом и основным массивом находится основной активный сайт большой субъединицы - пептидил-трансферазный сайт. При ассоциации субъединиц рибосомы благодаря их пространственной организации между большой и малой субъединицами образуется полость. В эту полость открывается ряд важнейших сайтов рибосомы.

Рибосомы эукариот - 80S. Отличаются более высоким содержанием и белков, и РНК. Они крупнее бактериальных, также состоят из большой и малой субъединиц - 40S и 60S. Они тоже включают в себя только РНК и белки. Но соотношение по массе 1:1. Малые субъединицы содержат одну молекулу РНК - 18S и 30-35 р-белков. Большие субъединицы содержат 3 цепи РНК 5S, 5.8S, 28S и около 45-50 белков. 5SрРНК по своей нуклеотидной последовательности соответствует 5`-концевой области бактериальной 23SрРНК.

Рибосомы органелл отличаются от рибосом цитоплазмы и могут быть нескольких видов. В некоторых случаях они содержат 70 % РНК напоминают бактериальные рибосомы, иногда они могут быть ещё мельче (ок. 60S) и содержат менее 30 % РНК.

Порядок сборки субъединиц рибосом строго определён. Субъединицы, не соединённые друг с другом, представляют собой диссоциированные рибосомы, соединённые друг с другом - ассоциированные рибосомы. Для ассоциации нужны не только конформационные изменения субъединиц, но также ионы магния (примерно 2•103 ионов на одну рибосому). Ионы магния компенсируют отрицательный заряд рРНК и позволяют рибосоме собраться (комплекс между белками и РНК).рРНК в рибосомах присутствует в рибосоме в основном в виде магниевых солей.

5. Активные сайты рибосомы

Рибосома является кооперативной структурой, которая зависит от взаимодействия своих активных сайтов (она вся состоит из активных сайтов). Как минимум 3 из этих активных сайтов - это сайты связывания с тРНК.

Сайт A. Это участок связывания очередной аминоацил-тРНК. В этом сайте находится кодон мРНК, который диктует рибосоме тип входящей аминоацил-тРНК (следующую аминокислоту растущего пептида).

Сайт P. Участок связывания пептидил-тРНК. Пептидил-тРНК представляет собой растущий пептид, соединённый своим C-концом с тРНК, которая принесла последний аминокислотный остаток в рибосому.

Сайт E(exit). Участок выхода тРНК из рибосомы. ДеацилированннаятРНК (бывшаяпептидил-тРНК, лишённая всех аминокислотных отстатков) поступает в сайт E и удерживается в нём недолго. Это промежуточная "стоянка" тРНК на пути из рибосомы. Сайт E присутствует только в прокариотических рибосомах. Сайт E образован только большой субъединицей рибосомы. Сайты A и P образованы обеими субъединицами.

На эукариотической рибосоме нет сайта E. ОтработавшаятРНК уходит из сайта P прямо в цитоплазму.

Пептидил-трансферазный сайт. Это активный каталитический сайт пептидил-трансферазы. Находится в пределах 50S субъединицы недалеко от аминоацильных концов транспортных РНК в сайтах A и P. Каталитической активностью обладает 23SрРНК или 28SрРНК (молекула РНК принимает участие в образовании пептидной связи). Всё расположение предполагает то, что аминокислотный остаток переносился из пришедшей тРНК на пептидил-тРНК. В большой субъединице между сайтами A и P и будет находиться этот центр - выемка между центральным выступом и основным массивом.

ГТФазный центр. Все ГТФ-связывающие факторы, принимающие участие в синтезе белка, садятся на один и тот же сайт рибосомы, который называется ГТФазным центром. Этот центр содействует запуску гидролиза ГТФ. Находится этот центр в основном массиве большой субъединицы. Центр связывания мРНК образуется белками S1, S18, S21 (белки малой субъединицы рибосомы).

Рибосома традиционно рассматривалась как комплекс белков с различными энзиматическими активностями, которые удерживаются вместе за счёт белок-белковых взаимодействий, и также связи с рРНК. Но открытие собственно собственной каталитической активности молекул РНК заставило задуматься о, возможно, более активной роли рРНК. Были получены экспериментальные подтверждения взаимодействия рРНК с тРНК и с мРНК на всех этапах трансляции. И необходимость рибосомальных белков для придания рРНК активной конформации. Современные данные указывают на то, что именно РНК выполняют все каталитические функции в рибосоме, а белки стабилизируют функцию и конформационно изменяют положение РНК.

У рРНК есть вполне определённые функции:

1) 16S (18)рРНК играет активную роль в функционировании 30S субъединицы рибосомы. 3`-конец 16SрРНК напрямую взаимодействует с мРНК во время инициации трансляции. Определённые участки 16SрРНК напрямую взаимодействуют с антикодон-содержащими участками тРНК. Это взаимодействие происходит в сайтах A и P.

2) Сходным образом 23S (28 у эукариот) рРНК взаимодействует с акцепторной шпилькой пептидил-тРНК в тех же сайтах.

3) Большинство контактов между субъединицами рибосомы - это контакты между 16S и 23SрРНК (18 и 28 у эукариот).

Размещено на Allbest.ru