Активация и рекогниция аминокислот

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. Образование аминоацил-тРНК происходит в два этапа, первым из которых является взаимодействие аминокислоты (Ак) с макроэргом АТФ:

Ак + АТФ >Ак~АМФ +

Аминоациладенилат (Ак~АМФ) остается в комплексе с АРС-азой до присоединения ко второму активному центру фермента тРНК. При взаимодействии комплекса (Ак~АМФ)~АРС-аза с тРНК образуется аминоацил-тРНК (Aк-тРНК); при этом вьделяется свободный фермент и АМФ:

(Ак~АМФ)-АРС-аза + тРНК ––––>Ак~тРНК + АМФ + АРС-аза

Схема, иллюстрирующая механизм биосинтеза белка в рибосоме, представлена на рис.1 Она суммирует представления о матричном биосинтезе белка, сложившиеся на основании его изучения у бактерий, в частности, у кишечной палочки. Из схемы видно, что биосинтез белка складывается из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Инициация. В клетках эукариот первой инициирующей аминокислотой, соединенной с тРНК, является метионин, а у прокариот - формилметионин. Биосинтеза белка у бактерий происходит при участии трех белковых факторов инициации - IF-1, IF-2 и IF-3 (инициации факторы первый, второй и третий). IF-3 представлен белком с М = 21000-23500. Он вызывает конформационные изменения в 30 S суб частице рибосомы, способствующие связыванию ею формилметионил­-тРНК. Присоединение последней обеспечивает поступление в рибосо­мальный аппарат клетки первой, N-концевой аминокислоты, а именно формилметионина, которым открывается полипептидная цепь любого белка, синтезируемого у бактерий. Впоследствии N-концевой остаток формилметионина в результате посттрансляционных изменений белка может отщепляться. тРНК, переносящая формилметионин в процессе белкового синтеза у бактерий, отличается от тРНК, осуществляющей перенос метионина в процессе сборки полипептидной цепи, т. е.существуют и .

Именно IF-З присоединяется первым к 30 S субчастице рибосомы, открывая этап инициации белкового синтеза и изымая 30 S субчастицу рибосомы из пула свободных 30 S и 50 S субчастиц рибосом, возникающих в процессе диссоциации рибосом 70 S. Он же способствует созданию на субчастице 30 S мPHK-связывающего центра.

IF-1 и IF2 представляют белки с молекулярными массами 89009400 и 90000-118000 соответственно. IF-1 стимулирует процесс связывания фактора IF-2 с 30 S субчастицей рибосомы и способствует присоединению к ней мРНК. IF-2 играет центральную роль в связывании формилметиониновой тРНК с субчастицей 30 S и в гидролизе гуанозинтрифосфата. Последний необходим для осуществления инициации биосинтеза белка.

Присоединение IF-1, IF-2, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30 S субчастице осуществляется в виде комплекса см. рис1. Как только оно произойдет, к ней же присоединяется мРНК, причем в результате взаимодействия антикодона формилметиониновой тРНК (3'-УАЦ) с кодоном мРНК (АУГ, ГУГ и, значительно реже, УУГ), предопределяется такое расположение мРHK на рибосоме, которое обеспечивает далее считывание содержащейся в последовательности ее нуклеотидных остатков информации о первичной структуре синтезируемого белка. Таким образом, именно формилметионпновая тРНК помогает мРНК найти на 30 S субчастице ту позицию, которая необходима для трансляции информации о последовательности аминокислотных остатков в белке, и именно в этом заключается ее значение в инициации белкового синтеза у бактерий. Для процесса трансляции весьма важно правильное положение инициирующего кодона мРНК, 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;

Присоединение мРНК к комплексу, состоящему из 30 S субчастицы, факторов инициации и ГТФ сопровождается высвобождением фактора инициации IF-3, выполнившего присущую ему функцию (см. рис. 1). Комплекс, включающий теперь в свой состав еще мРНК, жадно притягивает 50 S субчастицу и соединяется с ней, образуя 70 S рибосому, причем IF-1 в этот момент покидает рибосому, так как он тоже выполнил свою роль: стабилизацию в рибосоме мРНК. Сохранившийся еще в возникшей 70 S рибосоме IF-2, связанный с ГТФ, обеспечивает ускорение реакции распада ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат и высвобождается из рибосомы вместе с продуктами гидролиза ГТФ. Выделяющаяся при гидролизе ГТФ энергия, видимо, необходима для осуществления конформационных перестроек в рибосоме 70 S, в результате чего формилметионил-тРНК оказывается перемещенной в пептидильный центр рибосом (см. 1-ю фазу элонгации на рис 1). Такая рибосома способна теперь вести сборку полипептидной цепи белка заданной структуры, вследствие чего ее называют транслирующей (активной) рибосомой. В транслирующей рибосоме идет, следовательно, процесс элонгации белкового синтеза.

Элонгация представляет собой образование и удлинение полипептидной цепи, формирующейся на рибосоме. Этот процесс проходит при участии ГТФ и трех факторов элонгации: , и ЕF-G (элонгационные факторы трансляции трех типов - u, s и G).

Процесс элонгации начинается со связывания аминоацил-тРНК, содержащий аминокислотный остаток, который должен быть вторым с N-конца молекулы синтезируемого в рибосоме белка. У бактерий эта аминоацил-тРНК образует комплекс с и ГТФ, в виде которого она присоединяется к аминоацильному центру транслирующей рибосомы в соответствии с кодом белкового синтеза, т. е. благодаря взаимодействию комплементарных триплетов антикодона тРНК и кодона мРНК, локализованногопротив аминоацильного центра рибосомы (см. рис. 1). у млекопитающих это происходит при участии ТF-l.

По современным данным, не только кодон - антикодоновое взаимодействие предопределяет отбор соответствующих аминоацил-тРНК для сборки полипептидной цепи. В этом участвует вся молекула тРНК, так как посттрансляционная модификация сильно изменяет ее способность акцептироваться рибосомой. В процесс декодирования вовлекаются и белки рибосомы: S4, S9, S13, L2 и L7. Два последние, будучи локализованы в пептидильном центре рибосомы, образуют с двумя молекулами тРНК тетрамерный комплекс.

И аминоацил-тРНК, и ГТФ связываются с за счет свободных НS-групп остатков цистеина его молекулы, причем первичная структура центра связывания ГТФ и (ГДФ соответственно) на протяжении 42 аминокислотных остатков расшифрована. Активность регулируется фоcфорилированием и взаимодействием с ррГрр (3-пирофосфо-гуанозин-5-пирофосфат).

Благодаря расщеплению ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат, аминоацил-тРНК сближается с формилметионил-тРНК, локализованной в пептидильном центре рибосомы, а в комплексе с ГДФ и неорганический фосфат выносятся из рибосомы. EF-Тu· ГДФ-комплекс при взаимодействии с EF-Ts и ГТФ преобразуется в ·ГТФ-комплекc, способный соединяться со следующей молекулой аминоацил-тРНК (см. рис. 1).

В пептидильном центре между формилметионил-тРНК и аминоацил-тРНК происходит реакция, благодаря которой остаток формилметионина переносится на свободную -группу аминокислотного остатка, являющегося составной частью аминоацил-тРНК. В результате возникает дипептидил-тРНК, т. е. замыкается первая пептидная связь в будущей молекуле белка, а также образуется деацилированная (см. рис. 1). Этот процесс получил название реакции транспептидирования. Он ускоряется соответствующим ферментом, причем транспептидазная активность присуща рибосомным белкам, а не принадлежит какому-либо внешнему белковому фактору.

Пептидил-тРНК на следующей фазе элонгации переносится на место в пептидильном центре рибосомы, а последняя удаляется из него, перемещаясь в Е-центр рибосомы, из которого она затем вытесняется очередной аминоацил-тРНК и выносится из рибосомы.

Эта ступень элонгации называется транслокацией и происходит при участии EF-G у бактерий и ТF-2 у эукариот, а также сопровождается непременным гидролизом еще одной молекулы ГТФ (см. рис. 1). В результате транслокации дипептидил-тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы, тогда как ее аминоацильный центр полностью освобождается и готов теперь принять новую аминоацил-тРНК вкупе с ЕF-Тu или TF-l и ГТФ. Особенно важно, что при транслокации пептидил-тРНК перемещается в пептидильный центр рибосомы вместе с молекулой мРНК, с которой она связана благодаря антикодон-кодоновому взаимодействию. Это перемещение идет точно на один триплет нуклеотидныx остатков, т. е напротив аминоацильного центра оказывается следующий по порядку кодон молекулы мРНК, предопределяющий, какая аминоацил-тРНК вступит в аминоацильный центр рибосомы и явится таким образом источником очередного аминокислотного остатка в новообразуемом белке.

Терминация представляет собой завершение синтеза полипептидной цепи и освобождение ее от рибосомы. Осуществляется тоже при участии трех белковых факторов: RF-l, RF-2 и RF-3 у бактерий и единственного белкового фактора - R - у высших организмов. Белковые факторы RF-l и RF-2 имеют молекулярную массу по 45000 и способны распознавать в молекуле мРНК терминирующие сборку полипептидной цепи кодоны: фактор RF-l-УАГ и УАА, а фактор RF-2-УAA и УГА. Фактор RF-3 (его называют также S-протеин) стимулирует действие факторов RF-l и RF-2.

Как только в аминоацильном центре рибосомы после очередной транслокации терминирующий кодон молекулы мРНК займет соответствующее место, к нему присоединяется один из факторов терминации RF-l или RF-2. Этим блокируется возможность присоединения молекулы аминоацил-тРНК, тем более, что терминируюшим кодонам не соответствует ни один из антикодонов в тРНК. Присоединение к мРНК фактора RF-l или RF-2 возбуждает пептидилэстеразную активность рибосомальных белков, в частности белков L11 и L16, локализованных в 50S субчастице, вследствие чего гидролизуется сложноэфирная связь между новообразованным полипептидом и тРНК. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее. Одновременно освобождаются тРНК и мРНК, а рибосома 70 S распадается на субчастицы 30 S и 50 S, поступающие в общий фонд рибосом и их субчастиц, откуда они черпаются для нового цикла биосинтеза белковой молекулы(см. рис.1). В терминации биосинтеза белка по матричной схеме принимает участие молекула ГТФ. У бактерий она служит аллостерическим регулятором активности белковых факторов терминации, а у животных распадается на ГДФ и неорганический фосфат.

Дата добавления: 2015-08-09