Биосинтез белка

Биосинтез белка состоит из трех этапов – инициации, элонгации и терминации.

На этапе инициации происходит сборка белоксинтезирующей системы. Она начинается с присоединения малой субъединицы рибосомы к 5’-концу иРНК. РНК-матрицы содержат копии структукрных генов - рамки считывания на некотором удалении от 5’-конца. Поэтому после присоединения к иРНК малая субъединица рибосомы сканирует нуклеотидную последовательность, передвигаясь от 5’- к 3’-концу, пока не найдет начало рамки считывания - стартовый кодон. В качестве стартового кодона прокариотическая рибосома использует кодон AUG и, реже, кодоны GUG и UUG. Эукариотическая рибосома в качестве стартового кодона использует только AUG.

В таблице генетического кода кодону AUG соответствует аминокислота метионин. Однако стартовый кодон в прокариотической белоксинтезирующей системе узнается специальной инициаторной тРНК, которая связана с модифицированной формой метионина – формилметионином. Поэтому любой полипептид, синтезированный in vitro с помощью бактериальных рибосом начинается с аминокислоты формилметионина. Эукариотическая белоксинтезирующая система также начинает полипептид с метионина, но это отнюдь не означает, что клеточные белки на N-конце всегда имеют метионин. После завершения трансляции они, как правило, подвергаются действию ферментов, которые удаляют или модифицируют их N-конец.

После опознания стартового кодона и связывания инициирующей тРНК субъединицы объединяются в полную рибосому. Процесс формирования рибосомы идет с затратой энергии ГТФ. При этом в рибосоме происходит восстановление двух центров связывания – аминоацильного и пептидильного. Аминоацильный центр способен распознавать и связывать аминоацил-тРНК (аминокислотные остатки в комплексе с тРНК), тогда как пептидильный центр удерживает пептидил-тРНК (синтезируемый полипептид в комплексе с тРНК). В синтезе полипептида принимает участие также и третий п ептидилтрансферазный центр, расположенный на большой субъединице рибосомы, который катализирует образование пептидной связи.

Этап элонгации представляет собой собственно процесс синтеза полипептида в соответствии с таблицей генетического кода. Он состоит из повторяющихся стадий связывания, транспептидации и транслокации.

Перед началом следующего рабочего цикла аминоацильный центр (A-центр), расположенный в бороздке между субъединицами, содержит текущий кодон иРНК. На этой же поверхности в бороздке, но на некотором удалении от A-центра располагается пептидильный центр (Р-центр), который удерживает пептидил-тРНК. Между A-центром и Р-центром на большой субъединице располагается пептидилтрансферазный центр. Свободный N-конец полипептида обычно свисает в пространство, выходя по мере его удлинения за пределы рибосомы.

Стадия связывания состоит в распознавании и удержании рибосомой “клеверного листа” аминоацил-тРНК. При этом происходит конкуренция между разными аминоацил-тРНК, но в A-центре задерживается только та молекула, антикодон которой (триплет на вершине среднего лепестка клеверного листа) комплементарен находящемуся в A-центре кодону иРНК. В связывании аминоацил-тРНК с A-центром участвует фактор элонгации EF-Tu и затрачивается энергия ГТФ.

На стадии транспептидации аминоацил-тРНК в A-центре взаимодействует с пептидил-тРНК в P-центре таким образом, что происходит перенос C-конца полипептида из Р-центра в A-центр. При этом С-конец полипептида присоединяется к аминоацил-тРНК с образованием пептидной связи в ходе реакции, которая катализируется пептидилтрансферазным центром.

Во время стадии транслокации рибосома с участием EF-G и ГТФ, обеспечивает перенос пептидил-тРНК из A-центра обратно в Р-центр, из которого перед этим уходит свободная тРНК. Одновременно с возвратом полипептида в Р-центр происходит перемещение иРНК в направлении от 5’- к 3’-концу на один кодон.

Этап терминации наступает в тот момент, когда рибосома встретит в иРНК один из трех терминирующих кодонов – UAA, UGA или UAG. Эти кодоны не кодируют аминокислот и служат сигналами для окончания процесса биосинтеза белка. Терминирующий кодон ограничивает рамку считывания иРНК. Иногда рамка считывания ограничивается даже двумя и более терминирующими кодонами. Когда терминирующий кодон оказывается в A-центре рибосомы, он распознается факторами терминации RF-1 и RF-2 (или eRF эукариот). Связывание факторов терминации A-центром вызывает разрыв связи между тРНК и полипептидом в P-центре и выход белка из рибосомы. После этого из A-центра уходит фактор терминации, из Р-центра – свободная тРНК, а рибосома диссоциирует на субъединицы. Процесс разборки белоксинтезирующей системы идет с затратой ГТФ, с ним взаимодействует RF-3.

При диссоциации рибосомы малая субъединица может сканировать иРНК далее и возобновить трансляцию на следующей рамке считывания в случае полицистронных прокариотических матриц.