Биосинтез белка и его регуляция

Осуществляется во всех клетках про - и эукариотических организмов, это неотъем-лемое св-во живого. Информация о первичной структуре белковой молекулы, от которой зависят все остальные структуры и св-ва, за-кодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК – гене. Информация о структуре молекуле белка находится в ядре, а его сборка идёт в цитоплазме (в рибосомах), в клетке имеется посредник, копирующий и передающий эту информацию. Таким посредником является и-РНК.

Этапы биосинтеза белка. Весь белковый синтез, или процесс трансляции, может быть условно разделён на два этапа: активирование аминокислот и собственный процесс трансляции.

Активирование аминокислот. Необходимым условием синтеза белка, который, в конечном счете, сводится к поли-меризации аминокислот, является наличие в системе не свободных, а так называемых ак-тивированных аминокислот, располагающих своим внутренним запасом энергии. Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии. Обе стадии катализируются одним и тем же ферментом. В первой стадии аминокислота реагирует с АТФ, и образуется промежуточный продукт, который реагирует с соответствующей 3'-ОН-т-РНК, в результате чего образуется аминоацил-тРНК и освобождаются пиро-фосфат и АМФ. Аминоацил-тРНК располагает необходимым запасом энергии. Аминокислота присоединяется к концевому З'-ОН-гидроксилу адениловой кислоты, которая вместе с двумя остатками цитидиловой кисло-ты образует концевой триплет (ЦЦА), являю-щийся одинаковым для всех транспортных РНК 1.

Вторую стадию матричного синтеза белка - трансляцию, протекающую в рибосоме, условно делят на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции. Стадия инициации, являющаяся «точ-кой отсчета» синтеза белка, требует соблюде-ния ряда условий, в частности наличия в сис-теме, помимо 70S или 80S рибосом, инициаторной амино-ацил-тРНК, инициирующих кодонов в составе м-РНК и белковых фак-торов инициации. Таким образом, N-формил-метионил-тРНК является первой аа-тРНК, которая определяет включение N-концевого остатка аминокислоты и тем самым начало трансляции. Необходимым условием инициации является также наличие инициирующих кодонов, кодирующих формил-метионин. У бактерий эту функцию выполняют триплеты АУГ и ГУГ м-РНК. Однако эти триплеты кодируют формил-метионин (или начальный метионин), только будучи начальными триплетами, при считы-вании матричной м-РНК.

Образование инициаторного комплекса. Имеется много экспериментальных доказательств, что в процессе белкового синтеза наблюдаются постоянная диссоциация 70S рибосомы на 30S и 50S субчастицы и последующая их реассоциация. Сначала образуется инициаторный комплекс путем присоединения белковых факторов, формил-метионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице рибосомы, к которой комплементарно ан-тикодону формил-метионил-тРНК присоединяется м-РНК (с кодоном АУГ).

Особую роль играет формил-метионил-тРНК, которая помогает м-РНК найти на 30S субчастице определенное положение, обеспечивающее трансляцию информации о последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Как только м-РНК присоединяется к комплексу, высвобождается белковый фактор IF3; оставшийся комплекс легко присоединяет 50S рибосому, образуя транслирующую, т. е. функционально-активную 70S рибосому. В процессе этих перестроек рибосомы освобождают остальные белковые факторы инициации и продукты гид-ролиза ГТФ (ГДФ в неорганический фосфат), энергия которого расходуется, на конформационные изменения 70S рибосомы, в результате которых формил-метионил-т-РНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр рибосомы. У образовавшейся активной рибосомы 70S оказывается свободный аминоацильный центр, который может реагировать с определенной аа-тРНК в строгом соответствии с очередным кодоном м-РНК. С этого момента начинается второй этап синтеза - элонгация.

Элонгация трансляции. Процесс элонгации полипептидной цепи у Е. соli непосредственно, точнее топографиче-ски, связан с большей субчастицей (50S) рибо-сомы, содержащей два центра для связывания т-РНК: один из них называется амоноациль-ным, другой - пептидильным центром.

В процессе элонгации у Е. соli также участвуют три белковых фактора, обозначае-мых EF-Tu, EF-Ts и EF-G (т. е. элонгационные факторы трансляции U, S и G), а у эукариот известно два таких фактора, названных трансляционными факторами: TF-1 и TF-2. Процесс элонгации требует также наличия ГТФ, энергия гидролиза которого необходима для сближения аа-тРНК, расположенной на аминоацильном центре, и формил-метионил-тРНК, локализованной на пептидильном центре. Элонгация начинается со связывания аа-тРНК (аминокислотный остаток которого является вторым с N-конца после формил-метионина) с белковыми факторами и присоединения всего комплекса к аминоациль-ному центру в соответствии с кодовым трипле-том на м-РНК. Далее в пептидильном центре осуществляется ферментативная реакция транспептидирования между формил-метионил-тРНК и аа-тРНК; в процессе этой реакции остаток формил-метионина переносится на свободную NH2-группу аа-тРНК, и замыкается первая пептидная связь в будущей полипептидной цепи; параллельно освобождается т-РНКфмет. Фермент, катализирующий эту реакцию, получил назва-ние пептидил-трансферазы. Достигается транс-локация благодаря миграции рибосомы относительно м-РНК при участии фермента «транслоказы», фактора элонгации, а также энергии распада ГТФ.

Таким образом, в стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в строгом соответствии с порядком триплетов (кодонов) в молекуле м-РНК.

Терминация процесса трансляции. Завершение синтеза полипептидной цепи в 70S рибосоме осуществляется при уча-стии трех белковых факторов реализации: RF-1, RF-2 и RF-3 у Е. соli. В клетках животных открыт единственный белок с аналогичным свойством - фактор R. После того как терминирующий кодон м-РНК займет свое место в аминоацильном центре рибосомы, к нему присоединяется один из белковых факторов терминации и блокируется дальней-шая элонгация цепи.

Терминирующие кодоны и белковые факторы индуцируют пептидилэстеразную активность одного или двух рибосомных белков 50S субчастицы, причем разрывается сложноэфирная связь между синтезированным полипептидом и т-РНК. Следствием этого являются отделение белковой молекулы от рибосомы, освобождение т-РНК и м-РНК (по-следняя подвергается распаду до свободных рибонуклеотидов); одновременно 70S рибо-сома распадается на две свои субчастицы 30S и 50S, которые поступают в свободный пул и могут вновь использоваться для реассоциации рибосомы. Синтезированная полипептидная цепь далее подвергается деформилированию при участии специфического фермента - пептидил-деформилазы. Возможно, что от полипептида отщепляется также концевой метионин. В клетках животных открыт фер-мент аминопептидаза, катализирующая отщеп-ление N-концевого метионина.

Регуляция биосинтеза белка. Кол-во и разнообразие белков, в частности, ферментов, определяются долей их участия в метаболизме. Т.о. биосинтез белка регулируется внешними и внутренними условиями, которые диктуют клетке синтез кол-ва и кач-ва белка, необходимый для выполнения физиологических функций. Общую теорию регуляции синтеза белка разработали Жакоб и Мано. Синтез м-РНК на структурных генах молекулы ДНК непосредственно контролируется определённым участком – оператором. Он служит пусковым механизмом для функционирования структурных генов. Считывание генетического кода, т.е. формирование м-РНК, начинается с промотора – участка ДНК, являющегося точкой инициации для синтеза м-РНК, и далее распространяется последовательно вдоль оператора и структурных генов. Деятельность оперона находится под контролирующим влиянием другого участка цепи ДНК, получившего название гена-регулятора. Образование репрессора происходит в рибосомах ядра на матрице специфической м-РНК, синтезированной на гене-регуляторе. Репрессор имеет сродство к оператору и обратимо соединяется с ним в комплексе. Образование такого комплекса приводит к блокированию синтеза м-РНК, а следовательно, синтеза белка, т.е. функция гена-регулятора состоит в том, что через белок-репрессор запрещать деятельность оперона (структурных генов), синтезирующих м-РНК. Т.о. биосинтез м-РНК, контролирующий синтез белка в рибосомах, зависит от состояния репрессора.

Поиск по сайту: