МАТРИЧНАЯ СИСТЕМА СИНТЕЗА БЕЛКА.

Метаболизм белков. 1. 2. МАТРИЧНАЯ СИСТЕМА СИНТЕЗА БЕЛКА. ЭТАПЫ МАТРИЧНОГО СИНТЕЗА Общая схема матричного биосинтеза белковых тел складывается из подготовительных процессов — переноса вещества, энергии и информации в рибосому, и главного центрального процесса — сборки полипептидных цепей в рибосоме.  В результате транскрипции   (переписывание) информации о порядке расположения аминокислотных остатков в молекуле синтезируемого белка перенесена с ДНК на мРНК. (рассмотрено ранее).  Известно, что информация о последовательности аминокислот в белке закодирована в генетическом  аппарате  клетки   последовательностью   дезоксирибонуклеотидных  остатков   в молекуле   ДНК.   Молекулы   мРНК   в   качестве   матрицы   поступают   в   рибосому.   Здесь   она переводится   (транслируется)   с   полинуклеотидной   последовательности   в   аминокислотную последовательность новообразуемого в рибосомальном аппарате белка.  Матричный синтез белков состоит их этапов  1.Рекогниция – активироание аминокислот 2. Инициация. 3. Элонгация 4. Терминация  Рекогниция­активирование   аминокислот  и   перенос   их   в   рибосому.   Синтез пептидной связи из свободных аминокислот протекает с поглощением энергии в количестве около   12   кДж/моль.   В   связи   с   этим   давно   уже   была   высказана   идея   о   сопряженности биосинтеза белка с окислительными процессами (А.В. Благовещенский, М.П. Юргенсон, 1937) или   с   распадом   соединений,   содержащих   макроэргические   связи   (Ф.   Липман,   1941.   М. Хогленд   впервые   предложил   общепринятую   сейчас   двухэтапную   схему  активирования аминокислот. Первый ее этап  состоит во взаимодействии аминокислоты с АТФ, в результате чего возникает аминоациладенилат и выделяется пирофосфат.  Второй   этап  сводится   к   переносу   аминокислоты   с   образовавшегося аминоациладенилата на концевой аденозин акцептирующего стебля тРНК: Как видно из структурной формулы аминоациладенилата, он представляет ангидрид аминокислоты   и   остатка   фосфорной   кислоты   аденозин­5'­фосфата,   причем   донором кислорода для ангидридной связи является ОН­группа карбоксила аминокислоты. Свободные аминоациладенилаты   с  легкостью  вступают   в  реакцию  с  аминокислотами  даже  при   очень небольшой концентрации (10­3 моль), при почти нейтральной реакции среды (рН 7,4). Реакция осуществляется без участия ферментов и сопровождается образованием пептидных связей.  В   связанном   с   ферментом   состоянии   аминоациладенилаты   инертны,   и   об   их использовании для синтеза белка прямо из состава комплекса не может быть речи. 1 Реакции   активирования  сверхспецифичны.  Активируются   изомеры   аминокислот только природного L­ряда; D­изомеры аминокислот в реакцию не вступают. Каталитическое ускорение   активирования   каждой   протеиногенной   аминокислоты   осуществляется собственным, специфичным только для данной аминокислоты ферментом.  Активирующие ферменты называют аминоацил­тРНК­синтетазамн (АРСазами). Для нормальной деятельности активирующих аминокислоты ферментов необходимо присутствие  в реакционной среде  Mg2+, так как связывание  АТФ идет  по имидазольному радикалу гистидина активного центра фермента через ион магния. Механизм действия. Первой к АРСазе присоединяется АТФ, аденилирующая остаток гистидина в активном центре фермента с выделением пирофосфата: С   аденилированной   АРСазой   взаимодействует   активируемая   аминокислота,   в результате   чего   возникает   аминоациладенилат.   Последний,   обладая   выдающейся способностью аминоацилировать любые радикалы, содержащие подвижный атом водорода, передает   аминоацильную   группу   на   радикал   гистидина   активного   центра   АРСазы,   в результате чего образуется аминоацилированный фермент: После   связывания   ферментом   соответствующей   тРНК   аминоацильная   группа передается на ОН­группу остатка аденозина ее акцептирующего конца(ЦЦА).  Установлено   также,   что   аминоацильная   группа   в   аминоацил­тРНК   способна перемещаться  от 2'­ к  3'­углеродному  атому  рибозы  и  наоборот, вплоть  до  установления равновесия: 2 Полагают,   что   аминоацилирование   тРНК   либо   в   2'­,   либо   в   3'­положении   остатка рибозы концевого аденозина предупреждает от ошибок при активировании стереохимически близких аминокислот (например, валина и треонина).  Таким   образом,   в   процессе   активирования   обеспечивается   строго   избирательное присоединение   каждой   аминокислоты   к   специфичной   для   нее   тРНК   и   создание   набора аминоацил­тРНК,   непосредственно   поставляющих   энергетически   обогащенные аминокислотные остатки в рибосому. Активирование аминокислот сопровождается их кодированием (шифрование): после присоединения   к   соответствующей   тРНК   аминокислота   получает   код,   или   шифр,   в   виде строго   специфичного   только   для   данной   аминокислоты   чередования   трех   нуклеотидных остатков в  антикодоновой  петле тРНК. Этот триплет оснований называется антикодоном. Ему соответствует комплементарный кодон в составе мРНК. Взаимодействие кодонов мРНК с   антикодонами   аминоацил­тРНК   предопределяет   порядок   чередования   аминокислотых остатков в синтезируемом по матричной схеме белке.  Инициация  биосинтеза белка  у  бактерий   происходит   при  участии   трех  белковых факторов инициации — IF­1, IF­2 и IF­3 (Initiation Factors l, 2 и 3). IF­1 представлен белком с М=21000­23500.   Он   вызывает  конформационные   изменения  в   30S  субчастице   рибосомы, способствующие   связыванию   ею  IF­1,  ГТФ,   мРНК   и   формилметионил­тРНК. Присоединение   последней   обеспечивает   поступление   в   рибосомальный   аппарат   клетки первой,  N­концевой   аминокислоты,   а   именно—формилметионина,  которым   открывается полипептидная  цепь любого белка,  синтезируемого  у бактерий.  Впоследствии  N­концевой остаток   формилметионина   в   результате   посттрансляционных   изменений   белка   может отщепляться. тРНК, переносящая формилметионин в процессе белкового синтеза у бактерий,  IF­2, 3 отличается от тРНК, осуществляющей перенос метионина в процессе сборки полипептидной цепи, т. е. существуют тРНКфмет и тРНКмет: IF­1  и  IF­2  представляют   белки  с  молекулярными   массами   8900—9400   и   90000— 118000   соответственно.  IF­1  стимулирует   процесс   связывания   фактора  IF­2  с   30S субчастицей рибосомы и способствует присоединению к ней мРНК. IF­2 играет центральную роль   в   связывании   формилметиониновой   тРНК  с  субчастицей   30S  и  в   гидролизе гуанозинтрифосфата. Последний необходим для осуществления инициации биосинтеза белка, хотя полностью его функция в этом процессе еще не выяснена. Для   стабилизации   необходимого   расположения   мРНК   в   30S  субчастице   имеет присутствующая   в   ней   последовательность   Шайна—Дальгарно   (короткая—ААГГА   или длинная— УААГГАГГ), взаимодействующая с комплементарным фрагментом на З'­конце 16S рРНК   и   находящаяся   на   расстоянии   от   5   до   13   н.   о.   от   стартового   АУГ   кодона. Присоединение мРНК к комплексу, состоящему из 30S  субчастицы, факторов инициации и ГТФ сопровождается высвобождением фактора инициации IF­3, выполнившего присущую ему функцию.  Выделяющаяся при гидролизе ГТФ энергия, видимо, необходима для осуществления конформационных   перестроек   в   рибосоме   70S,   в   результате   чего   формилметионил­тРНК стабилизируется  в пептидильном центре рибосомы Такая рибосома способна теперь вести 4 сборку   полипептидной   цепи   белка   заданной   структуры,   вследствие   чего   ее   называют транслирующей  (активной)   рибосомой.   В   транслирующей   рибосоме   идет,   следовательно, процесс элонгации белкового синтеза. Элонгация Элонгация биосинтеза белка в бактериальной клетке обслуживается тремя белковыми   факторами   элонгации:  EF­TU,  EF­TS  и  EF­G  У   млекопитающих  два   фактора элонгации: TF­1 и TF2  Процесс   элонгации   начинается  со   связывания  аминоацил­тРНК,   содержащей аминокислотный остаток, который должен быть вторым с N­конца молекулы синтезируемого в рибосоме белка. У бактерий эта аминоацил­тРНК образует комплекс с EF­TU 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,   локализованного   против   аминоацильного центра рибосомы. У млекопитающих это происходит при участии TF­1. По   современным   данным,   не   только   кодон­антикодоновое   взаимодействие предопределяет отбор соответствующих аминоацил­тРНК 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 последних, будучи локализованы в пептидильном центре рибосомы, образуют с двумя молекулами тРНК тетрамерный комплекс. Благодаря   расщеплению   ГТФ   на   ГДФ   и   неорганический   фосфат   аминоацил­тРНК сближается с формилметионил­тРНК, локализованной в пептидильном центре рибосомы,  a EF­TU  в комплексе с ГДФ и неорганический фосфат выносятся из рибосомы.  EF­TU  •  ГДФ­ комплекс   при   взаимодействии   с  EF­TS  и   ГТФ   преобразуется   в  EF­T„   •  ГТФ­комплекс, способный соединяться со следующей молекулой аминоацил­тРНК. В пептидильном центре между формилметионил­тРНК и аминоацил­тРНК происходит реакция,   благодаря   которой   остаток   формилметионина   переносится   на   свободную  NH2­ группy  аминокислотного   остатка,   являющегося   составной   частью   аминоацил­тРНК.   В результате возникает дипептидил­тРНК, т. е. замыкается первая пептидная связь в будущей молекуле белка, а также образуется деацилированная тРНКфмет .  Этот   процесс   получил   название   реакции  транспептидирования.   Он   ускоряется соответствующим   ферментом,   причем   транспептидазная   активность   присуща   рибосомным белкам L16, L11 и L6 и, вероятно, фрагменту 23S рРНК. Пептидил­тРНК   на   следующей   фазе   элонгации   переносится   на   место   тРНКфмет  в пептидильном   центре   рибосомы,   а   последняя   удаляется   из   него,   вытесняется   очередной аминоацил­тРНК и выносится из рибосомы. Эта ступень элонгации называется транслокацией и происходит при участии EF­G у бактерий и  TF­2 у  эукариот, а также сопровождается непременным гидролизом еще одной молекулы ГТФ.  В результате транслокации дипептидил­тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы,   тогда  как  ее   аминоацильный   центр  полностью  освобождается  и   готов   принять новую аминоацил­тРНК с TF­1 и ГТФ.  Важно, что при транслокации  пептидил­тРНК перемещается  в пептидильный  центр рибосомы   вместе   с   молекулой   мРНК,   с   которой   она   связана   благодаря   антикодон­ кодоновому взаимодействию. Это перемещение идет точно на один триплет нуклеотидных остатков, т. е. напротив аминоацильного центра оказывается следующий по порядку кодон молекулы мРНК, предопределяющий, какая аминоацил­тРНК вступит в аминоацильный центр рибосомы   и   явится   источником   очередного   аминокислотного   остатка   в   новообразуемом белке. Терминация  белкового синтеза в рибосоме осуществляется тоже при участии трех белковых факторов: RF­1, RF­2 и RF­3 у бактерий и единственного белкового фактора­R — у высших организмов (от англ. recognize—узнавать). Белковые факторы способны распознавать 5 в молекуле мРНК терминирующие сборку полипептидной цепи кодоны: фактор RF­1—УАГ и УАА,   а   фактор  RF­2—УАА  и  УГА.   Фактор  RF­3  (его   называют   также  S­протеин) стимулирует действие факторов RF­1 и RF­2. Как   только   в   аминоацильном   центре   рибосомы   после   очередной   транслокации терминирующий   кодон   молекулы   мРНК   займет   соответствующее   место,   к   нему присоединяется один из факторов терминации RF­1 или RF­2. Этим блокируется возможность присоединения молекулы аминоацил­тРНК, тем более, что терминирующим кодонам не соответствует ни один из антикодонов в тРНК.   При   этом   гидролизуется   сложноэфирная   связь   между   новообразованным полипептидом и тРНК. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее. Одновременно освобождаются тРНК и мРНК, а рибосома 70S распадается на субчастицы 30S и 50S, поступающие в общий фонд рибосом и их субчастиц, откуда они черпаются для нового цикла биосинтеза белковой молекулы.  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. Кодирование   биосинтеза   белка.  Выяснение   вопроса   о   том,   какой   именно   триплет нуклеотидов   в   составе   мРНК   кодирует   вступление   в   белок   определенной   аминокислоты, представляет одну из самых увлекательных страниц современной биохимии и молекулярной биологии. 6 7