Трансляция — важная составная часть общего метаболизма, и ее сущность заключается в переводе генетической информации с мРНК, являющейся первичным продуктом действия генов, в аминокислотную последовательность белков (рис. 54). Трансляция
происходит в цитоплазме на рибосомах и представляет собой очень сложный, но центральный процесс в синтезе белков, в котором помимо рибосом участвуют мРНК, 3-5 молекул рРНК, 40-60 молекул разных тРНК, аминокислоты, около 20 ферментов (аминоацилтРНК синтетаз), активирующих аминокислоты, растворимые белки, вовлекаемые в инициацию, элонгацию и терминацию полипептидной цепи.
Рис. 54. Трансляция
Рибосомы состоят наполовину из белка и наполовину из рРНК (по 3-5 молекул на каждую рибосому). Размеры рибосом выражают в единицах скорости седиментации при центрифугировании У прокариотов размеры рибосом составляют 70 S, у эукариотов — 80 S. Рибосомы построены из пары субъединиц (большой и малой), которые диссоциируют по завершении трансляции мРНК. У Е. coli большая субъединица (50 S) содержит две молекулы рРНК (5 S и 23 S) и 30 полипептидов, тогда как малая субъединица (30 S) — одну молекулу рРНК (16 S) и 19 полипептидов. У эукариотов большая
субъединица содержит три разные молекулы рРНК (5 S, 5,8 S и 28 S) тогда как малая субъединица — одну молекулу рРНК (18 S).
Транспортные (адапторные, растворимые) РНК являются малыми (5 S) молекулами длиной 75-80 нуклеотидов. Нуклеотиды тРНК построены из остатка фосфорной кислоты, углеродной части (рибозы) и основания. Основные нуклеотиды тРНК — адениловый, гуаниловый, цитидиловый и уридиловый. Вместе с тем одна из особенностей структуры тРНК заключается в том, что все они содержат по нескольку необычных, так называемых минорных нуклеотидов, причем последние являются химическими модификациями аденилового, гуанилового, цитидилового и уридилового нуклеотидов (в основном в виде метилированных птуринов или нуклеотидов, обладающих метилированной рибозой). Некоторые из этих минорных нуклеотидов находятся в одном и том же районе у разных тРНК. тРНК присоединяют к себе свободные аминокислоты и переносят (включают) их в формирующиеся цепи полипептидов. Каждая тРНК способна присоединять и переносить только одну аминокислоту, но на каждую аминокислоту приходится 1-4 молекулы тРНК.
Все тРНК характеризуются специфической последовательностью нуклеотидов. Они содержат триплеты нуклеотидов, называемые антикодонами, которые комплементарны кодонам мРНК. Антикодоны располагаются в центре тРНК. Известно 55 антикодонов.
Первый этап трансляции происходит в цитоплазме и заключается в комбинировании каждой аминокислоты с АТФ и специфическим ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. В результате этого уста- навливается связь между фосфатом и карбоксильной группой аминокислоты (-Р-О-С), которая приводит к образованию комплексов, состоящих из аминокислоты, АМФ и специфического фермента. Пирофосфаты в процессе образования этих комплексов удаляются (рис. 55).
Второй этап трансляции осуществляется также в цитоплазме. Поскольку аминоацил-тРНК-синтетазы распознают аминокислоты и их тРНК, то второй этап состоит во взаимодействии образованных комплексов аминокислота-АМФ-специфический фермент (аминоацил-тРНК-синтетаза) со специфическими тРНК (один комплекс — одна тРНК). Поскольку цепи всех тРНК имеют одинаковую структуру концов (конечное основание — аденин, а два предыду- щих — цитозин и цитозин), то связывание одной аминокислоты со специфической тРНК происходит путем установления связи между
рибозой конечного нуклеотида (адениловой кислоты) и карбоксильной группой аминокислоты (-С-О-С-). Вследствие этого взаимодействия происходит формирование так называемых аминоацил-тРНК, представляющих собой комплексы аминокислоты со специфической тРНК, и освобождение в процессе образования этих комплексов АМФ и фермента (аминоацил-тРНК-синтетазы). Следовательно, аминоацил-тРНК являются прямыми предшественниками полипептидного синтеза на рибосомах.
Осуществление этих двух этапов приводит к активации аминокислот. Одни синтетазы активируют 2′-гидроксил конечного основания тРНК, тогда как другие активируют З’-гидроксил, а некоторые
активируют и 2′ — и 3′ -гидроксилы. Однако эти различия не имеют значения, поскольку после освобождения аминоациальная группа на тРНК мигрирует взад и вперед.
Третий этап трансляции и заключается в декодировании мРНК. Он осуществляется на рибосомах и в нем участвуют как мРНК, так и различные аминоацил-тРНК. После того как мРНК отошла от ДНК и прошла через ядерную мембрану в цитоплазму, она прикрепляется к РНК-последовательности, меньшей 30 S-субъединицы рибосомы. Последовательность мРНК, которая связывается с последовательностью рРНК рибосомной субъединицы 30 S, получила название рибосомосвязывающего сайта или последовательности Шайно — Дальгарно. Между тем каждая рибосома имеет два сайта, связывающих тРНК. Сайт А, или аминоацильный (акцепторный) сайт, связывает приходящую аминоацил-тРНК, которая несет аминокислоту, предназначенную для добавления в растущую полипептидную цепь рядом с ранее добавленной аминокислотой. Сайт Р, или пептидный (донорный) сайт, связывает пептидил-тРНК, к которой прикреплен растущий полипептид. Специфичность связывания аминоацил-тРНК в этих сайтах обеспечивается кодонами мРНК, которые составляют часть сайтов А и Р. Это связывание происходит благодаря водородным связям, устанавливаемым между определенными основаниями (антикодоном) каждой аминоацил-тРНК и основанием (кодоном) соответствующей последовательности мРНК. Первое и второе основания кодона всегда спариваются с третьим и вторым (соответственно) основаниями антикодона, тогда как третье основание кодона, если оно является урацилом, спаривается с гуанином или гипоксантином антикодона, если же оно является аденином — то с гипоксантином антикодона, а если гуанином — то с урацилом антикодона. Как уже отмечено, в обеспечении взаимодействия мРНК с тРНК участвует
рРНК 16 S.
После связывания с мРНК аминоацил-тРНК помещают (включают) аминокислоты вдоль молекулы мРНК и последовательности, соответствующей последовательности триплетов азотистых оснований в мРНК. Наращивание полипептидной цепи обеспечивается тем, что при синтезе белка рибосомы (полисомы) движутся вдоль цепи мРНК. Одновременно происходит формирование пептидных связей, обеспечиваемое несколькими ферментами-трансферазами, один из которых катализирует одновременно связывание аминоацил-тРНК с рибосомой, происходящее в присутствии ГТФ как кофактора. Каждая
пептидная связь образуется ковалентным связыванием атома углерода карбоксильной группы первой аминокислоты с аминогруппой второй аминокислоты. При этом в процессе связывания происходит открепление тРНК первой аминокислоты от углерода карбоксильной группы своей аминокислоты. Каждая вновь добавляемая аминокислота встает на место, следующее за аминокислотой, добавленной ранее. Как видно, полипептидная цепь наращивается с карбоксильного конца, а аминокислоты добавляются последовательно. Трансляция осуществляется в направлении от 5′ — к 3′ -концу полипептидного типа.
тРНК характеризуются исключительно высокой специфичностью, что проявляется в их антикодоновых последовательностях, соответствующих кодонам, доступности для распознания нужной аминоацил-тРНК-синтетазой и в точности связывания с сайтами А и Р на рибосомах.
Инициация, элонгация и терминация полипептидного синтеза находятся под генетическим контролем.
Наряду с кодонами, детерминирующими последовательность аминокислот, существуют кодоны, определяющие начало и конец чтения мРНК. В синтезе белка существенная роль принадлежит N-концевой аминокислоте формилметионину и его тРНК. N-формилметионин- тРНК (CHCNH-CH(CH2-CH2SCH3)-СООтРНК) образуется в результате формилирования α-аминогруппы метионина NH2CH (CH2CH2SCH3CO)OH в метионил-тРНК. Поскольку формилирование характерно только для метионина и катализируется ферментом трансформилазой, то считают, что формилметионин-тРНК — инициатор синтеза полипептида. Это означает, что все полипептиды в процессе синтеза начинаются с метионина. VV-формилметионин является/У-концевой аминокислотой всех белков.
Инициация полипептидной цепи начинается с образования комплекса между мРНК, формилметионин-тРНК и рибосомной единицей 30 S, которое обеспечивается факторами (белками) инициации 1F1, 1F2 и 1F3, а также ГТФ. Этот комплекс вступает в комбинацию с 50^-рибосомной единицей, в результате чего формилметионинтРНК становится связанной с пептидиловым сайтом. Энергия для этого обеспечивается гидролизом одной молекулы ГТФ. Кодоны АУГ, ГУА и ГУГ на 5′ -конце или рядом с ним направляют включение V -формилметионина в качестве V -концевой аминокислоты белка. Можно сказать, что эти кодоны являются специфическими инициаторами белкового синтеза. Наиболее активен кодон АУГ.
Элонгация (удлинение) полипептидной цепи обеспечивается факторами элонгации ef-ts и EF-Tu, а также гидролизом одной молекулы АТФ, а движение молекулы мРНК с одного сайта рибосомы на другой обеспечивается фактором элонгации EF-G и гидролизом одной молекулы ГТФ. Каждый раз мРНК движется на три нуклеотида. У бактерий частота элонгации составляет 16 аминокислот в секунду. Это означает, что рибосомы движутся вдоль мРНК со скоростью 48 нуклеотидов в секунду.
Терминация (окончание) синтеза детерминируется стоп-кодонами УАГ, УАА и УГА. Когда один из этих кодонов подойдет к А-сайту рибосомы, то полипептид, тРНК в Р-сайте и мРНК освободятся, а рибосомные субъединицы диссоциируют. Окончание синтеза белка связано с активностью белковых факторов — освобождения RF1 и RF2. Диссоциировав, рибосомные субъединицы начинают трансляцию другой молекулы мРНК. Большинство мРНК симультанно транслируется несколькими рибосомами (полисомами). Например, цепь гемоглобина из 150 аминокислот синтезируется на пентарибосомном комплексе. У прокариотов синтез и трансляция мРНК происходят в направлении от 5′ -конца к 3′ -концу. Далее, у них нет ядерной мембраны. Поэтому трансляция мРНК начинается еще до завершения ее синтеза. Напротив, у эукариотов транскрипция и трансляция разделены во времени, поскольку требуется время для перехода мРНК из ядра через ядерную мембрану в цитоплазму.