2013-12-29
1402
Активация и рекогниция аминокислот
Трансляция
Трансляция осуществляется в клетках при помощи сложной белок-синтезирующей системы. Отдельные компоненты этой системы ассоциируют в единую структуру по мере ее функционирования и разобщаются по окончанию синтеза. В состав белок-синтезирующей системы входят следующие структуры:
- рибосомы - нуклеопротеиды, содержащие примерно 60% рибосомальной РНК и 40% различных белков;
- матричная РНК;
- транспортная РНК;
- белковые факторы и ферменты инициации, элонгации и терминации трансляции;
- набор аминокислот;
- набор аминоацил -тРНК-синтетаз, образующих аминоацил-тРНК;
- макроэрги: АТФ и ГТФ;
- ионы Мg2+, Са2+, К+, NH4 +.
Субстратами матричного синтеза белка являются аминокислоты, соединенные с тРНК, причем последние способствуют переводу информации с последовательности нуклеотидов на последовательность аминокислот. Транспортные РНК представляют собой одноцепочечные молекулы сравнительно небольшой молекулярной массы (22-26 kDa) и состоящие из 80-100 нуклеотидов. Каждой аминокислоте соответствует от одной до шести транспортных РНК, с которыми она может образовывать комплекс.
Большая часть пула аминокислот в цитоплазме клеток находится не в свободном состоянии, а в виде аминоацил-тРНК. Это предохраняет аминокислоты от метаболических превращений и способствует сохранению набора аминокислот для синтеза белка. Образованию комплекса аминокислота – тРНК предшествует активация аминокислоты и нахождение соответствующей тРНК (рекогниция). Это происходит под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, или АРС-азы. Эти ферменты имеют два активных центра, один из которых соответствует определенной тРНК, а другой строго специфичен соответствующей аминокислоте. Таким образом, в клетке должно быть не менее 20 АРС-аз, хотя фактически их несколько больше.
Активация аланина происходит следующим образом:
Трансляция осуществляется на рибосомах – своеобразных молекулярных машинах, функционирующих в цитоплазме и ориентированных на биосинтез всех видов белковых макромолекул. Рибосомы удерживают в функциональном состоянии многокомпонентную белок-синтезирующую систему, а также обеспечивают точность считывания и реализации генетической информации. Они обладают каталитическими свойствами, образуя пептидную связь, а также выполняют функцию механического переноса пептидил–тРНК. Кроме основных функций – синтеза белка,- рибосомы регулируют собственный биогенез и ряд других метаболических процессов, например, аминоацилирование тРНК. Рибосомы прокариот состоят из двух субчастиц, отличающихся по размеру. Малая субчастица имеет коэффициент седиментации 30S (1 молекула рРНК и 21 тип белков), а большая – 50S и состоит из двух молекул рРНК и 34 различных белков. В функциональном состоянии субчастицы ассоциируют, образуя полную 70S рибосому. У эукариот размеры частиц рибосом составляют: малая- 40S (около 33 различных белков), большая- 60S (порядка 50 белков), а полная рибосома – 80S (см. рис. 17, модуль 2).
Инициация трансляции у прокариот. При образовании полной рибосомы формируются два центра трансляции: донорный (пептидильный, Р-центр) и акцепторный (аминоацильный, А-центр) (рис. 24).
Инициация начинается с образования малых инициирующих комплексов, которые затем ассоциируют в большой инициирующий комплекс. В этом процессе участвуют рибосомы, мРНК, аминоацил-тРНК, белковые факторы инициации (IF1, IF2, IF3), а также макроэрг ГТФ. В клетках эукариот первой инициирующей аминокислотой, соединенной с тРНК, является метионин, а у прокариот - формилметионин. тРНК, которая соединяется с формилметионином, обозначают тРНКfМеt, а комплекс с аминокислотой: fМеt - тРНКfМеt. В мРНК обнаружены специальные инициирующие кодоны.
У прокариот такими кодонами являются АУГ, ГУГ и, значительно реже, УУГ. Эти кодоны в процессе инициации трансляции взаимодействуют с одним и тем же антикодоном 3′ - УАЦ.
Инициация трансляции представляет собой импульс, сообщаемый молекулярной машине, ориентированной не биосинтез белка.
При этом аминокислоты соединяются друг с другом именно в той последовательности, которая была запрограммирована в мРНК. У прокариот очередность событий образования инициирующих комплексов следующая:
- 30S рибосома соединяется с IF3;
- к комплексу 30S-IF3 присоединяется инициирующий фактор IF1, и образуется малый инициирующий комплекс;
- одновременно при ассоциации fМеt - тРНКfМеt с ГТФ и с IF2 образуется малый инициирующий комплекс;
- 30S-IF1-IF3 связывается с 5′-концом мРНК и узнает инициирующий кодон. При этом образуется комплекс - 30S-IF1-IF3 – мРНК, а инициирующий кодон находит сайт, который затем преобразуется в Р - центр полной рибосомы.
Для процесса трансляции весьма важно правильное положение инициирующего кодона мРНК в этом сайте, так как от этого зависит его попадание в пептидильный (Р) центр полной рибосомы. Оказалось, что у 5′- конца мРНК имеется специальная последовательность нуклеотидов, комплементарная участку 16S, входящему в малую рибосомальную субчастицу. Взаимодействие этих комплементарных участков тРНК и мРНК ориентирует положение кодона в пептидильном сайте.
Рис. 24 Стадии образования инициирующего комплекса
- Два малых инициирующих комплекса ассоциируют в следующую структуру: - 30S-IF1-IF2-IF3 –мРНК- fМеt - тРНКfМеt – ГТФ, образуя большой инициирующий комплекс. Последний взаимодействует с 50S рибосомальной субчастицей, при этом формируется активная белок-синтезирующая система, включающая в себя полную рибосому, мРНК и тРНК. Факторы инициации отделяются от комплекса и поступают в цитоплазму в функционально активном состоянии. Энергию, необходимую для процессов комплексообразования, предоставляет ГТФ; после гидролиза макроэргической связи ГДФ отделяется от комплекса и поступает в цитоплазму. При ассоциации малой и большой рибосомальных субчастиц происходит образование пептидильного и аминоацильного центров трансляции, причем в пептидильном Р- центре находится инициирующий кодон мРНК, комплементарно соединенный с fМеt - тРНКfМеt. В аминоацильном А- центре расположен только кодон м РНК.
