Характеристика биосинтеза белка в эукариотических клетках.

Рис.2:

Рекогниция (распознавание, активация15 аминокислот) - процесс связывания молекулы тРНК с соответствующей ей аминокислотой. При участии аминоацил-тРНК-синтетазы, Mg2+ и энергии двух фосфатных связей АТФ образуется сложноэфирная связь между ОН-группой 3`-концевого аденозина и карбоксильной группой аминокислоты. а) Инициация - начало процесса трансляции. Данный этап наиболее сложен, он включает в себя несколько фаз: - подготовка рибосомы к трансляции. 80S рибосома, при участии белкового фактора инициации - 3 (ФИ-3), разделяется на малую и большую субъединицы (рис.2). Малая (40S) субъединица рибосомы и ФИ-3 образуют комплекс.

40S*ФИ-3 + 60S

80S + ФИ-3

+

+

- подготовка мРНК к трансляции. К мРНК, которая, как уже отмечалось, кэпирована, присоединяются кэп-связывающие белки (КСБ). В дальнейшем эти белки будут участвовать в связывания мРНК с рибосомой. - подготовка инициаторной аа-тРНК. Кодон мРНК эукариот, с которого начинается считывание информации (стартовый кодон), представлен триплетом АУГ. Данный триплет соответствует аминокислоте мeтионину. Поэтому, в качестве инициаторной аа-тРНК выступает метионил-тРНК (мет-тРНК). Подготовка инициаторной мет-тРНК включает присоединение к ней белкового фактора инициации - 2 (ФИ-2) и ГТФ. - образование инициирующего комплекса. Происходит соединение инициаторной мет-тРНК с 40S рибосомы. Способствует образованию комплекса - ФИ-3. - связывание мРНК с инициирующим комплексом. Для связывания требуется белковый фактор инициации - 1 (ФИ-1) и энергия АТФ. Кэп и КСБ обеспечивают присоединение инициирующего комплекса именно к 5`-концу мРНК. При этом стартовый кодон мРНК несколько удален от присоединившегося комплекса. - поиск стартового кодона (метионина; АУГ) и комплементарное взаимодействие с ним антикодона инициаторной аа-тРНК (мет-тРНК). Происходит перемещение 40S субъединицы рибосомы в направлении 3`-конца мРНК до тех пор, пока не обнаруживается стартовый кодон - АУГ, с которым взаимодействует антикодон мет-тРНК. - формирование на мРНК 80S-рибосомы. Большая субъединица рибосомы (60S) присоединяется к малой (40S) только после нахождения кодона АУГ (т.е. после фазы 6). Присоединение 60S рибосомы сопровождается гидролизом ГТФ, находившегося в составе инициирующего комплекса, высвобождением белковых факторов инициации и КСБ. В образованной 80S рибосоме выделяют два участка (сайта): пептидильный (место, в котором осуществляется образование пептидных связей) - Р-участок и аминоацильный (место присоединения аа-тРНК) - А-участок. В завершение инициации мет-тРНК занимает область Р-участка, А-участок - свободен. После этого начинается элонгация.

б) Элонгация (продолжение трансляции) включает три последовательные фазы: - присоединение к следующему кодону мРНК соответствующей ему аа-тРНК. Белковый фактор элонгации - 1 (ФЭ-1) образует комплекс с ГТФ и молекулой аа-тРНК, что обусловливает присоединение аа-тРНК к рибосоме. Взаимодействие происходит в А-участке рибосомы и обеспечивается энергией ГТФ. Антикодон аа-тРНК комплементарно связывается с кодоном мРНК. - пептизация с формированием пептида в А-участке и освобождением Р-участка рибосомы от предыдущей аа-тРНК. Аминогруппа новой аа-тРНК (поступившей в А-участок) и карбоксильная группа предыдущей аа-тРНК (находящейся в Р-участке) образуют пептидную связь. Реакция обеспечивается пептидилтрансферазой - ферментом 60S рибосомы, который катализирует процесс образования пептидной связи, а также разрыв сложноэфирной связи между тРНК и аминокислотой Р-участка. При этом растущий пептид в виде пептидил-тРНК оказывается в А-участке. В Р-участке находится тРНК, освободившаяся от аминокислоты, которая быстро покидает рибосому. В результате фазы пептизации: Р-участок свободен, но занят А-участок, необходимый для присоединения следующей аа-тРНК. Эта проблема решается с помощью следующей фазы этапа элонгации. - транслокация. При транслокации происходит перемещение рибосомы (но не пептидил-тРНК) на один кодон в направлении 3`-конца мРНК. А-участок рибосомы становится свободным, а в Р-участке теперь находится пептидил-тРНК (осуществляется внутририбосомный переход пептидил-тРНК). Для транслокации необходимы: белковый фактор элонгации - 2 (ФЭ-2) и энергия ГТФ. Таким образом, освобождение А-участка делает возможным новый цикл элонгации с присоединением следующей молекулы аа-тРНК (аа2-тРНК), соответствующей следующему кодону мРНК. Когда в А-участке рибосомы появляется кодон мРНК, не имеющий смысла (нонсенс или терминирующий кодон), дальнейшее удлинение полипептидной цепи становится невозможным. Элонгация прекращается и наступает терминация.

в) Терминация. Терминирующий кодон распознается специальными белковыми факторами высвобождения (R-факторы, от англ.: to release - освобождать). Название данных факторов обусловлено тем, что в результате их действия из рибосомы высвобождаются полипептид, тРНК и мРНК. Гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК осуществляет фермент пептидилтрансфераза. На этапе терминации затрачивается энергия одной фосфатной связи ГТФ.

Процессинг белка. Большинство синтезированных полипептидов являются предшественниками соответствующих белков или пробелками (препробелками), поэтому требуется их созревание - процессинг белка. Процессинг белка включает совокупность изменений в структуре того или иного полипептида, заканчивающихся формированием структурно и функционально зрелой белковой молекулы. К наиболее распространенным типам химической модификации полипептидов, относятся: - ограниченный протеолиз: а) отщепление N-концевой аминокислоты (метионина); б) отщепление пептидного фрагмента; - ацетилирование; - фосфорилирование; - гликозилирование (присоединение углеводного компонента); - гидроксилирование (пролина, лизина); - окисление аминокислот; - образование четвертичной структуры. Процессинг может быть котрансляционным (химическая модификация происходит при незаконченном синтезе полипептида, т.е. во время элонгации) и посттрансляционным (процессинг осуществляется после завершения этапа терминации). Для процессинга конкретного белка характерен определенный тип модификации, или определенный вариант сочетания этих типов. Например, в процессинге коллагена задействованы ограниченный протеолиз, реакции гликозилирования и гидроксилирования, а также - формирование 4-ой структуры.

Адресование белков.

Синтезированные пробелки (полипептиды) или сформировавшиеся зрелые белки должны быть правильно размещены в клетке или выделены из нее на экспорт. Распределением белков (направлением их по заданному адресу) управляют механизмы адресования белков. Эти механизмы достаточно сложны и для каждого белка имеют свои особенности. Однако, существуют и общие черты в процессах адресования различных белков. В структуре полипептидной цепи выделяют сигнальный участок, который содержит условный адрес размещения данного белка. Функцию сигнального участка выполняет фрагмент аминокислотной последовательности белка. В зависимости от аминокислотного состава сигнального участка, белок направляется в какой-либо компартмент клетки. Например, неполярные аминокислотные остатки сигнального участка обеспечивают транспорт белка в липидный бислой мембран, полярные - способствуют распределению белка в цитоплазму клетки. Сигнальный участок данного белка распознается только на том внутриклеточном элементе, в который белок должен поступить (адресоваться), что во многом определяет специфичный для органеллы набор белков. Адресование и процессинг белка тесно связаны. Такая взаимосвязь четко прослеживается на примере биосинтеза инсулина. Инсулин - гормон, являющийся низкомолекулярным белком, синтезируется в виде препроинсулина (110АК). Препроинсулин имеет гидрофобный сигнальный участок, который адресует его в эндоплазматический ретикулум. В эндоплазматическом ретикулуме этот сигнальный участок отщепляется и образуется проинсулин. Проинсулин подвергается дальнейшему процессингу: протеазы отщепляют внутренний сегмент одноцепочечной молекулы проинсулина и образуются две цепи (21 АК и 30 АК), соединенные дисульфидными связями, - это структура функционально зрелого белка инсулина (51 АК), который выделяется в кровь. Существуют механизмы повышения эффективности трансляции: - многократная трансляция на рибосоме одной и той же мРНК. Матричный полинуклеотид может повторно использоваться для синтеза полипептидной цепи. Таким образом, несколько копий полипептида тиражируются с одной РНК-матрицы, что экономит ресурсы, требующиеся для синтеза мРНК. - параллельная трансляция одной мРНК на нескольких рибосомах. Образуется комплекс нескольких рибосом с одной мРНК, который называется полисомой. Образования полисомы происходит постепенно. После того, как в ходе трансляции рибосома с образующимся пептидом передвинулась от 5`-конца мРНК на расстояние не менее 80 нуклеотидов, на 5`-конце начинается параллельная трансляция (инициация, элонгация) следующей рибосомой. Теперь уже две рибосомы передвигаются по мРНК и каждая из них синтезирует по молекуле одного и того же полипептида. Затем, по аналогии, начинается трансляция с использованием третьей рибосомы и так далее. Количество рибосом в полисоме определяется длиной мРНК, т.к. в связи с большими размерами рибосом минимальное расстояние между ними на мРНК составляет 80 нуклеотидов. - многократное использование одной и той же мРНК для параллельной трансляции на нескольких рибосомах. Данный механизм сочетает в себе как повторное использование мРНК, так и параллельную трансляцию в полисоме. Этим сочетанием достигается наиболее значительное повышение выхода полипептидов-копий в расчете на 1 молекулу мРНК.

Схемки к этому вопросу смотрите в лекции «Трансляция», которую я кинул в беседуJ