Глава 11. Биосинтез белка

Биосинтез белка представляет собой очень сложный процесс, в котором одновременно участвует большое количество различных факторов. Выдающиеся открытия в этой области были сделаны в 50-х годах прошлого столетия. Однако, несмотря на определенные успехи в изучении данного процесса, до настоящего времени все еще остается много неясного в его деталях.

Согласно современным представлениям биосинтез белка протекает в пять стадий:

• I стадия — активация аминокислот. Протекает в цитоплазме клетки. Связана с образованием активного комплекса аминокислот с транспортными РНК;
• II стадия — инициация роста полипептидной цепи. Происходит образование инициирующего комплекса, способного начать синтез полипептидной цепи;
• III стадия — элонгация. Характеризуется последовательным удлине­нием полипептидной цепи на рибосоме за счет присоединения к ней аминокислот;
• IV стадия — терминация. Сопровождается завершением синтеза полипептидной цепи и ее освобождением в цитоплазму клетки;
• V стадия — посттрансляционный процессинг. Он приводит к образованию зрелой белковой молекулы, которая имеет нативную конформацию, способную выполнять характерную для нее функцию.

Биосинтез белка осуществляется в пять стадий:

◊ активация аминокислот;

◊ инициация роста полипептидной цепи;

◊ элонгация;

◊ терминация;

◊ посттрансляционный процессинг

На I стадии биосинтеза белка происходит соединение аминокислот с тРНК с образованием аминоацил-тРНК

Рассмотрим в деталях особенности каждой стадии процесса биосин­теза белка.

I стадия. Основными ее участниками являются молекулы тРНК и аминокислоты. Присоединение аминокислоты к тРНК происходит в реакции, катализируемой ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой.

В клетке присутствует более 20 видов аминоацил-тРНК-синтетаз. Для каждой ами­но­кис­лоты существует как минимум один энзим, проявляющий по отношению к ней абсолютную субстратную специфичность. Аминокислота взаимодействует с тРНК согласно следующей схеме:

Аминокислота + АТФ + тРНК Аминоацил-тРНК + АМФ + H₄P₂O₇.

Реакция происходит в две стадии. Нa первой из них в активном центре фермента образуется аминоациладенилат. Далее aминоацильный остаток передается на cоответствующую тРНК. Присоединение аминокислотного остатка происходит ко второму или третьему углеродному атому пентозы, входящей в состав адениловой кислоты на 3'-конце полинуклеотидной цепи (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема процесса образования аминоацил-тРНК

Образовавшаяся аминоацил-тРНК используется в процессе построения полипептидной цепи белковой молекулы. При этом тРНК играет роль свое­образного «адаптера», который узнает место аминокислоты в строящейся полипептидной цепи.

Образование аминоацил-тРНК обеспечивается ферментом с высокой субстратной специфичностью — аминоацилтРНК-синтетазой

В процессе биосинтеза белка тРНК выполняет роль своеобразного адаптора

Cинтез белка начинается с N-конца. Он происходит путем присоединения аминокислот к первичной карбоксильной группе в строящемся пеп­тиде. В качестве первой аминокислоты в строящейся белковой молекуле всегда используется метионин, который представляет собой «инициирующую аминокислоту». По этой причине на N-конце синтезированного на рибосоме полипептида всегда оказывается именно метионин. Его положение в строящейся полипептидной цепи кодируется инициирующим кодоном в молекуле мРНК. Этот кодон имеет структуру АUG.

В качестве инициирующей аминокислоты используется метионин

У бактерий в качестве инициирующей аминокислоты используется N-формилметионин:

Включение в молекулу дополнительной формильной группы предупреждает возможность присоединения к концевому остатку метионина других аминокислот. Образование формилметионина катализируется ферментом трансформилазой:

N-формилтетрагидрофолат + Мет-тРНК тетрагидрофолат + формилМет-тРНК

II стадия. На этой стадии биосинтеза белка происходит образование инициирующего комплекса — особой структуры, способной к началу синтеза полипептидной цепи на основе информации, заложенной в молекуле матричной РНК. Основу инициирующего комплекса составляет рибосома.

На II стадии биосинтеза белка происходит образование инициирующего комплекса

Инициирующая аминокислота — аминокислота, которая первой встраивается в образующуюся на рибосоме полипептидную цепь

Инициирующий кодон имеет структуру: AUG

Образование инициирующего комплекса происходит в три этапа.

1. Малая субчастица рибосомы (30S) связывает белковый фактор инициации IF-3, препятствующий ассоциации субчастиц рибосомы. В этих условиях субчастицы диссоциируют и рибосома прекращает свое существование как единое целое (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Первый этап образования инициирующего комплекса

2. После освобождения малой субчастицы рибосомы с ней связывается мРНК. При этом инициирующий кодон (АUG) устанавливается в строго определенном участке 30S субчастицы. Его корректная ориентация обеспечивается присутствием в мРНК особой последовательности нуклеотидов — последовательности Шайна–Дальгарно (Shine–Dalgarno sequence). Данный участок молекулы мРНК в области его 5'-конца содержит большое количество пуриновых мононуклеотидов. Их последовательность комплементарна последовательности пиримидиновых нуклеотидов в области 3'-конца полинуклеотидной цепи рРНК, входящей в состав малой субчастицы рибосомы. За счет этого между мРНК и рРНК возникают специфические комплементарные взаимодействия, что и приводит к корректной ориентации инициирующего кодона на малой субчастице (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Позиционирование матричной рибонуклеиновой кислоты относительно малой субчастицы рибосомы

К инициирующему кодону присоединяется аминоацильный комплекс инициирующей аминокислоты (метионина или формилметионина), с которым связан белковый фактор инициации IF-2 и ГТФ (Мет — тРНК + IF-2 + ГТФ). Присоединение происходит за счет образования связей между комплементарными азотистыми основаниями инициирующего кодона мРНК и антикодона тРНК, нагруженной аминокислотой, связанной с IF-2 и ГТФ (рис. 11.4).