Основные компоненты белоксинтезирующой системы
Ключевое отличие трансляции от других матричных биосинтезов заключается в том, что между нуклеотидной матрицей и синтезируемым полипептидом нет комплементарного соответствия. Для перевода четырехбуквенного нуклеотидного «языка» в двадцатибуквенный аминокислотный требуется биологический код и сложный аппарат. В его состав входят:
- мРНК — информационная матрица, содержащая последовательность кодонов.
- Аминокислоты — субстраты для построения белка.
- тРНК — адаптеры, имеющие акцепторный (-CCA) конец для связывания аминокислоты и антикодон для узнавания мРНК.
- Аминоацил-тРНК-синтетазы — специфические ферменты, катализирующие объединение аминокислот с тРНК.
- Рибосомы — рибонуклеопротеиновые структуры, на которых происходит физическая сборка цепи.
- Белковые факторы — внерибосомные белки инициации (IF), элонгации (EF) и терминации (RF).
- Энергия и кофакторы — молекулы АТФ и ГТФ, а также ионы магния, необходимые для стабилизации структуры рибосомы.
Активация аминокислот
Прежде чем аминокислота попадет в рибосому, она должна быть активирована. Этот процесс осуществляют аминоацил-тРНК-синтетазы (в клетке существует 20 видов таких ферментов — по одному для каждой протеиногенной аминокислоты).
Интересно, что фермент обладает абсолютной специфичностью к аминокислоте, но лишь относительной — к тРНК. Из-за вырожденности генетического кода одну аминокислоту могут переносить несколько разных изоакцепторных тРНК (они отличаются строением антикодона, но связывают ту же аминокислоту).
В ходе реакции фермент присоединяет альфа-карбоксильную группу аминокислоты к 3'-ОН концу тРНК. Процесс идет с затратой энергии АТФ.
Пример активации аспартата: Асп + тРНК + АТФ → Асп-тРНК + АМФ + пирофосфат.
Специфичность готовой молекулы принято обозначать верхним индексом, например: Мет-тРНК^Мет.
Инициация трансляции
Синтез начинается со сборки активной рибосомы. В этом процессе участвует более 10 факторов инициации (IF). Шаги инициации:
- Формируется преинициаторный комплекс из малой субъединицы рибосомы (40S), инициаторной Мет-тРНК^Мет, факторов IF и энергии ГТФ.
- Комплекс присоединяется к 5'-концу («кэпу») мРНК и начинает сканирование — движется по цепи до встречи с инициирующим кодоном AUG.
- Антикодон Мет-тРНК^Мет комплементарно узнает старт-кодон.
- Присоединяется большая субъединица (60S), происходит гидролиз ГТФ, а белковые факторы IF удаляются.
Итог инициации — собранная 80S-рибосома с двумя сформированными активными центрами. Р-центр (пептидильный) занят инициаторной тРНК, а А-центр (аминоацильный) абсолютно свободен и готов принять следующую молекулу.
Элонгация (удлинение цепи)
Цикл элонгации многократно повторяется и состоит из трех последовательных стадий:
- Связывание аа-тРНК. В свободный А-центр заходит новая транспортная РНК. Обязательное условие — ее антикодон должен быть комплементарен кодону мРНК. Процесс протекает при участии фактора элонгации EF1 и энергии ГТФ.
- Образование пептидной связи. Метионин (или уже синтезированный пептид) переносится из Р-центра на аминогруппу новой аминокислоты в А-центре. Эту реакцию катализирует пептидилтрансфераза. Важно отметить, что активный центр этого фермента сформирован рибосомальной РНК большой субъединицы, то есть обладает рибозимной активностью. Образуется дипептидил-тРНК.
- Транслокация. Рибосома сдвигается по мРНК ровно на один кодон (в направлении от 5'- к 3'-концу). Это требует фактора EF2 и гидролиза ГТФ. В результате пептидил-тРНК перемещается в Р-центр, пустая тРНК покидает рибосому, а А-центр освобождается.
Терминация трансляции
Процесс сборки полипептида завершается, когда в А-центр попадает один из стоп-кодонов: UAG, UGA или UAA.
Вместо новых тРНК со стоп-кодоном взаимодействуют специфические белковые факторы терминации — RF1 и RF3 (цифры указывают на их структурное сходство с аналогичными факторами прокариот).
Под действием пептидилтрансферазы происходит гидролитическое отщепление готовой полипептидной цепи от последней тРНК. После освобождения белка субъединицы рибосомы диссоциируют, что также сопровождается затратой молекулы ГТФ.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие антибиотики ингибируют процесс трансляции у бактерий?
Антибиотики, ингибирующие трансляцию у бактерий, подавляют синтез белка на рибосомах прокариот и блокируют разные этапы трансляции.
- Тетрациклины — блокируют А-центр рибосомы.
- Левомицетин (хлорамфеникол) — присоединяется к 50S-субъединице рибосомы, ингибирует пептидилтрансферазу и блокирует образование пептидной связи.
- Стрептомицин / аминогликозиды — нарушают инициацию и чтение кода.
- Эритромицин / макролиды — блокируют транслокацию.
- Доксициклин и клиндамицин — подавляют синтез белка.
Антибактериальные препараты, подавляющие трансляцию, специфичны для белоксинтезирующей системы прокариот.
Что такое полисома и какова ее функция?
Полисома — это комплекс, состоящий из одной молекулы мРНК, нескольких рибосом и синтезируемых ими пептидных цепей разной длины. Функция полисом заключается в одновременном активном синтезе белков.
Выделяют два основных вида:
- Мембраносвязанные полисомы — синтезируют белки на экспорт, мембранные белки, ферменты лизосом и пероксисом.
- Свободные полисомы — остаются в гиалоплазме и синтезируют белки для собственных нужд клетки (цитозоль, ядро, митохондрии, цитоскелет).
Каковы отличия инициации трансляции у прокариот и эукариот?
Основные отличия инициации трансляции заключаются в способе поиска старт-кодона и структуре сигнальных последовательностей мРНК.
| Признак | Прокариоты | Эукариоты |
|---|---|---|
| Сигнал инициации | Последовательность Шайна-Дальгарно | Кэп-структура на 5'-конце мРНК |
| Механизм поиска старта | Взаимодействие участка мРНК с 3'-концом рРНК | Терминальная инициация (сканирование цепи до кодона АУГ) |
У эукариот малая субъединица связывается с кэп-структурой при участии белкового комплекса факторов инициации, а затем движется по цепи.
Что такое посттрансляционная модификация белков?
Посттрансляционные модификации — это химические модификации и изменения структуры полипептидных цепей, происходящие после завершения трансляции для приобретения белком функциональной активности.
Основные процессы:
- Частичный протеолиз — удаление части полипептидной цепи.
- Фолдинг — формирование пространственной структуры при участии белков-шаперонов.
- Модификации аминокислот — фосфорилирование, карбоксилирование, гидроксилирование, гликозилирование, йодирование, ацилирование.
- Образование дисульфидных связей — происходит между остатками цистеина.
- Присоединение простетических групп — добавление небелковых компонентов.
- Образование олигомерных структур — формирование четвертичной структуры.
Для запоминания названий активных центров рибосомы: А-центр (аминоацильный) — всегда принимает новую Аминокислоту. Р-центр (пептидильный) — прочно удерживает растущий Пептид.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем заключается главная проблема кодирования при трансляции?
В том, что матрица (мРНК) построена всего из 4 типов нуклеотидов, а конечный продукт (белок) состоит из 20 видов аминокислот. Между ними нет химической комплементарности, поэтому для расшифровки требуется биологический код и тРНК-адаптеры.
Какой фермент катализирует образование пептидной связи и где он находится?
Реакцию катализирует пептидилтрансфераза. Уникальность этого фермента в том, что его активный центр образован рибосомальной РНК (рРНК) большой субъединицы рибосомы. Это классический пример рибозима.
Почему аминоацил-тРНК-синтетаз всего 20, а видов тРНК значительно больше?
Из-за вырожденности биологического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов. Соответственно, существуют изоакцепторные тРНК с разными антикодонами, но фермент узнает их все, обладая лишь относительной специфичностью к тРНК.
На каких этапах трансляции расходуется энергия ГТФ?
ГТФ используется на стадии формирования преинициаторного комплекса (инициация), связывания новой аа-тРНК в А-центре, транслокации рибосомы по мРНК (элонгация) и при диссоциации субъединиц рибосомы (терминация).
Что ещё разобрать по теме
- Структура и свойства биологического кода
- Строение транспортных РНК: акцепторный конец и антикодоновая петля
- Механизм сканирования мРНК и роль 5'-кэпа в инициации
- Рибозимная активность рРНК: механизмы катализа
- Особенности изоакцепторных тРНК
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Трансляция» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.