Трансляция (биосинтез белка)
Трансляция - перевод генетического текста иРНК в последовательность АК в белке.
Необходимый комплекс факторов:
1. строительный материал (20 АК);
2. молекулы тРНК (61 вид тРНК). 61 кодону соответствует 20 АК. 1 тРНК распознает более 1 кодона;
3. ферменты: аминоацил-тРНК-синтетаза - обеспечивают узнавание и связывание АК со своей тРНК (20);
4. молекула мРНК. У эукариот иРНК имеет так называемый 'кэп' (от англ.- кепка, шапка) в области 5'-конца. Кэп представлен метил-ГТФ, необходимой для узнавания иРНК рибосомой и участвует в трансляции;
5. рибосомы, как место синтеза белка. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. У прокариот они более мелкие - 70S: малая субъединица - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.
6. энергия АТФ и ГТФ;
7. ионы Мg2+, необходимые для активации ферментов;
8. белковые факторы трансляции – специфические белки различных этапов трансляции.
Этапы трансляции:
1. рекогниция – «распознавание»;
2. инициация – «начало»;
3. эллонгация – «продолжение, удлинение»;
4. терминация - «прекращение»;
5. процессинг – «созревание».
1. Рекогниция. Происходит связывание АК со своей тРНК: АК+тРНК®(над стрелкой – аминоацил-тРНК-синтетаза, АТФ) аминоацил-тРНК +АМФ+2Фн Количество этих реакций зависит от количества АК.
2. Инициация. Состоит из 7 фаз:
а) подготовка рибосомы к трансляции. Рибосома (30S) взаимодействует с фактором инициации 3 (ФИ-3), в результате разделяется на малую и большую субъединицы. Малая субъединица находится в комплексе с ФИ-3;
б) подготовка РНК-матрицы к трансляции. мРНК эукариот в области 5’-конца имеет особую структуру – КЭП, представленную метил-ГТФ. В этой фазе происходит присоединение к КЭПу КЭП-связываемых белков. Они обозначают на мРНК место прикрепления рибосомы;
в) подготовка инициаторной аминоацил-тРНК. Кодон, с которого начинается считывание генетической информации, представлен триплетом АУГ – метионин. В качестве инициаторной будет выступать МЕТ-тРНК: МЕТ-тРНК+ГТФ+ФИ-2® инициаторный метионин-тРНК;
г) образование инициирующего комплекса. При этом инициаторная МЕТ-тРНК взаимодействует с малой субъединицей рибосомы с образованием инициирующего комплекса. Этому процессу способствует белковый ФИ-3, связанный с рибосомой;
д) связывание мРНК с инициирующим комплексом: инициирующий комплекс+ ФИ-1+ 5’-конец мРНК. При этом АТФ®АДФ+Фн;
е) поиск и комплементарное взаимодействие со стартовым кодоном. При этом происходит скольжение малой субъединицы рибосомы до момента обнаружения кодона АУГ и комплементарного взаимодействия с ним антикодона МЕТ-тРНК;
ж) формирование 80S-рибосомы. Большая субъединица присоединяется к комплексу, образующемуся на 6 стадии, что сопровождается затратой энергии ГТФ (ГТФ®ГДФ+Фн). Для этой реакции используется ГТФ, находящаяся в составе инициирующего комплекса. В образовавщейся рибосоме выделяют 2 участка:
- Р-участок, в котором находится МЕТ-тРНК. Здесь будет происходить образование пептидных связей – сайт Р;
- А-участок (аминоацильный участок) – служит для присоединения аминоацильной-тРНК.
В завершении этой фазы происходит высвобождение белковых факторов ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 и КЭП-связанных белков.
3. Элонгация. Состоит из 3-х фаз:
а. присоединение следующей аминоацил-тРНК в соответствии со смыслом следующего кодона матрицы. Процесс требует энергии ГТФ ®ГДФ + Фн+Q и белкового фактора - фактор элонгации-1 (ФЭ-1);
б. пептизация. Между АК-остатками образуются пептидные связи (между АК-1 и АК-2). Данную реакцию катализирует пептидил-трансфераза. Этот фермент разрушает связь между первой АК и ее тРНК. Первая тРНК покидает рибосому. В результате в амино-ацильном участке рибосомы находится растущий пептид, а Р-участок освобождается;
в. транслокация или перемещение. Рибосома перемещается на 1 кодон в направлении 3’-конца тРНК. При этом пептдтл-тРНК остается на месте и происходит внутририбосомный переход растущего пептида из А-участка рибосомы в Р-участок. Для данного процесса необходимы энергия ГТФ ®ГДФ + Фн+Q и белковый фактор - ФЭ-2. Основным результатом является освобождение А-участка рибосомы, в который может поступить следующая аминоацил-тРНК.
Процесс элонгации протекает циклически с 1 по 3 фазу до момента обнаружения стоп-кодона. При достижении рибосомой нонсенс-кодона элонгация прекращается и наступает терминация.
4. Терминация.
Нонсенс-кодон распознается белковыми R-факторами (факторы освобождения) в А-участке рибосом. В результате действия R-факторов обеспечивается диссоциация элементов трансляционного аппарата и в цитоплазму высвобождаются рибосома, иРНК, полипептид. СЭС между пептидом и тРНК гидролизуется с затратой энергии ГТФ ®ГДФ + Фн+Q. иРНК в дальнейшем может использоваться повторно для трансляции (до разрушения ее иРНКазами).
Собственно трансляция включает 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.
5. Процессинг белка.
Это совокупность изменений в структуре белка (полипептида), которые заканчиваются формированием структурно и функционально зрелой белковой молекулы. Процессинг может быть 2-х видов:
- котрансляционный, протекающий во время трансляции;
- посттрансляционный – химическая можификация белка происходит после трансляции.
Включает несколько видов химической модификации:
- ограниченный протеолиз - это отщепление либо пептидного фрагмента, либо N-концевой АК (МЕТ);
- реакция ацетилирования - присоединение ацетильного остатка;
- фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты с образованием сложных белков (фосфопротеины);
- гликозилирование АК с образование гликопротеинов и протеогликанов;
- гидроксилирование АК – присоединение –ОН группы. Наиболее часто данному процессу подвергаются ПРО и ЛИЗ с образованием гидроксипролина (ОПР) и гидроксилизина (ОЛИ). Этот процесс необходим при образовании коллагена;
- окисление АК;
- образование вторичной, третичной и четвертичной структур – характерно для олигомерных белков. При образовании данных структур белок сворачивается - процесс фолдинга. Для этого необходимы специализированные белки - шапероны. Они ускоряют сворачивание белков, исправляют некорректные формы вторичной, третичной структур. Может наблюдаться патология фолдинга: существуют т.н. отрицательные шапероны. Их присутствие в клетке приводит к неправильному фолдингу, что выражается в гибели клеток.
Адресование белков
После синтеза и процессинга белки должны быть правильно размещены в клетке либо правильно выделены на экспорт. Этим управляют особые механизмы адресования белков.
В структуре белка имеется т.н. сигнальный участок, содержащий информацию о принадлежности данного белка к определенной органелле клетки или о выделение белка на экспорт. Функцию сигнального участка выполняет фрагмент аминокислотной последовательности либо углеводный компонент.
Принципы адресования заключаются в процессе распознавания белков определенными органеллами. При этом распознание сигнального участка происходит только в случае, если он «пришел» в правильное место.
Гидрофобные АК сигнального участка направляет белок в ЭПР (мембранная структура); гидрофильные АК - в жидкие среды клетки (цитоплазма) или во внутренне пространство органелл; углеводный компонент адресует белок в кровь или лимфу.