Трансляція

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

Розділ 1

БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ

1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя

1.2.3. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні

1.2.3.7. Трансляція

Процес синтезу білків (трансляція), як реплікація і транскрипція, умовно поділяється на три етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.

1. Ініціація. Розпочинається з активації амінокислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою

амінокислотою. Так формується АК – АМФ-комплекс. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент.

Амінокислота +АТФ + фермент → Амінокислота-АМФ-ферментативний комплекс +Р~Р.

Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (аміноацил-тРНК). Процес розпізнавання амінокислот тРНК називають рекогніцією.

Амінокислота-АМФ → ферментативний комплекс + тРНК → аміноацил-тРНК + + АМФ + фермент.

Аміноацил-тРНК-комплекс

надходить до місця синтезу білків, а вільний фермент може знову активувати наступну молекулу амінокислоти.

Активація рибосом і початок синтезу поліпептидного ланцюга.

Ланцюг іРНК з’єднується з малою рибосомальною субодиницею за допомогою спеціального триплету. Це забезпечується шляхом утворення водневих зв’язків між комплементарними парами відповідних азотистих основ іРНК та рРНК рибосом. Амінокислота метіонін ініціює процес синтезу. Вона входить до складу тРНК, яка має УАЦ-антикодон, що зв’язується з АУГ-кодоном ІРНК. Комплекс, що утворюється, називається комплексом ініціації. Згодом до малої субодиниці ІРНК приєднується велика субодиниця, створюючи активну рибосому, що має сформовані аміноацильну (А) і пептидильну (П) ділянки (рис. 1.59).

А) мала субодиниця рибосоми + ІРНК + тРНК – метіонін → комплекс ініціації;

Б) комплекс ініціації + велика субодиниця рибосоми → активна рибосома.

Рис. 1.59. Активація рибосом, утворення білок-синтезувального комплексу і початок синтезу поліпептидного ланцюга

(а – приєднання малої субодиниці рибосоми до стартового кодону АУГ інформаційної РНК; б – з’єднання малої і великої субодиниць з формуванням П – і А-ділянок):

1 – комплекс ініціації; 2 – активна рибосома; 3 – велика субодиниця; 4 – мала субодиниця.

Процеси ініціації вимагають присутності специфічних факторів ініціації, що мають білкову природу та володіють регуляторною активністю.

2. Елонгація (подовження поліпептидного ланцюга). Друга, навантажена, наприклад, проліном, тРНК з’єднується з рибосомою на ділянці А (рис. 1.60 А, Б). ЇЇ антикодон зв’язується з комплементарним кодоном ланцюга іРНК. На ділянці П метіонін звільняється від своєї тРНК і з’єднується пептидним зв’язком з проліном (рис. 1.60 В). Процес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв’язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається і – СООН група першої амінокислоти утворює пептидний зв’язок з вільною – NH2 групою другої амінокислоти. Таким чином, друга тРНК уже несе дипептид. Перша тРНК, тепер вільна, відокремлюється від П-ділянки рибосоми і повертається у загальний фонд тРНК у цитоплазмі (рис. 1.60 В). Тут вона може знову зв’язуватися зі своєю амінокислотою.

ТРНК-дипептидний комплекс разом з ІРНК переміщається в напрямку П-ділянки рибосоми (рис. 1.60 Г). Цей процес називається транслокацією (від лат. translocatio – переміщення).

Третя молекула тРНК зі специфічною їй амінокислотою, наприклад, аргініном, надходить до А-ділянки рибосоми і приєднується своїм антикодоном до комплементарного кодону іРНК (рис. 1.60 Г). Дипептид метіонін-пролін знову приєднує амінокислоту аргінін за допомогою ферменту пептидилтрансферази. Таким чином, дипептид збільшується до трипептиду. Друга тРНК звільняється, залишає ланцюг іРНК, вивільняючи П-ділянку. Транспортна РНК – трипептидний комплекс переноситься з А-ділянки на П-ділянку.

Весь процес, що включає надходження тРНК-амінокислотного комплексу, утворення пептидного зв’язку і транслокацію, багаторазово повторюється. В міру просування іРНК щодо рибосоми всі її кодони переміщаються по А-ділянці один за одним і пептидний ланцюг зростає. У процесі елонгації беруть участь спеціальні білкові фактори, що регулюють ці процеси.

Синтез пептидного ланцюга відбувається з досить великою швидкістю, що залежить від температури і факторів внутрішнього і зовнішнього середовища. У середньому в еукаріотів ця швидкість складає близько 2 амінокислоти за 1 с. У прокаріотів швидкість вища – близько 15 амінокислот за секунду.

Рибосома рухається щодо іРНК тільки в одному напрямку, переміщуючись на один триплет від 5′-кінця до 3′-кінця іРНК. Синтез білкової молекули (об’єднання амінокислот) відбувається у великій субодиниці, де навпроти одного триплету розташований аміноацильний центр (від’єднання АК від тРНК), а іншого – пептидильна ділянка (приєднання АК до пептиду, що зростає).

Амінокислоти зв’язуються в поліпептид у тій послідовності, що повідомляється їм за допомогою іРНК.

Рис. 1.60. Механізм елонгації поліпептидного ланцюга.

3. Термінація (закінчення синтезу та вивільнення поліпептидного ланцюга). У кінці ланцюга іРНК знаходиться один із “стоп”-кодонів (УАА, УАГ, УГА). Вони не розпізнаються жодною тРНК. Фактор термінації (спеціальний білок) приєднується до цього кодону і блокує подовження поліпептидного ланцюга. Як наслідок, до останньої амінокислоти синтезованого білка приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. Зв’язок між останньою тРНК і поліпептидним ланцюгом розривається спеціальними ферментами – факторами вивільнення. Рибосома відокремлюється від ланцюга іРНК і розпадається на дві субодиниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрапляє в цитоплазму. Кожна молекула ІРНК транскрибується декілька разів, а згодом руйнується. Середній час “життя” іРНК складає приблизно 2 хв. Вибірково руйнуючи старі й створюючи нові ІРНК, клітина може регулювати як якісний, так і кількісний склад білків, а значить, рівень і спрямованість метаболізму.

Значення трансляції.

Білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку, забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об’єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.

Посттрансляційна модифікація білка як основа для їх функціонування. Вивільнений поліпептид – це прямолінійна молекула, що не має метаболічної активності. Синтезовані з амінокислот поліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ендоплазматичну сітку або комплекс Гольджі, де завершується формування білкової молекули. У процесі “дозрівання” вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту екзопептидази, а згодом утворювати вторинну і третинну структури. Молекули можуть об’єднуватися з іншими поліпептидами для утворення четвертинної структури складних білків. Синтезовані молекули об’єднуються з вуглеводними або ліпідними молекулами, вбудовуються в біомембрани або інші комплекси клітини.

Процеси зміни початкової структури поліпептиду та формування нової називаються посттрансляційною модифікацією. Внаслідок цього білки набувають специфічних властивостей і функціональної активності.