Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 15. Метаболизм белков

На включение в белок каждой аминокислоты расходуется энергия четырех высокоэнергетических связей (одной молекулы АТФ на стадии синтеза аминоацил-тРНК и трех молекул ГТФ — на стадиях связывания амино- ацил-тРНК и трансляции). В процессе трансляции принимают участие все три вида РНК. Причем, если в матричной РНК информация записана в виде кодонов (триплетов), т. е. трех последовательно связанных нуклеотидов, то для считывания этой информации используется транспортная РНК. Тогда как проверяет правильность считывания закодированной информации рибосомальная РНК. При этом транспортная РНК представляет из себя небольшие последовательности (75…90) мононуклеотидов, содержащие антикодон из трех последовательно связанных между собой нуклеотидов, комплиментарный кодону для аминокислоты в информационной РНК, расположенный в тРНК в месте локализации антикодоновой петли, недалеко от вариабельной петли (см. рис. 4.5). Функция тРНК состоит в том, чтобы транспортировать аминокислоты к рибосоме и вставлять их в определенные участки полипептидной цепи при ее биосинтезе, переводя последовательность нуклеотидов в кодоне мРНК в последовательность аминокислотных остатков первичной структуры белка (рис. 15.1).

Генетический код для аминокислот является вырожденным, т. к. некоторые аминокислоты закодированы 2…6 кодонами (табл. 15.1). Исключение представляют триптофан и метионин, имеющие по одному кодону. Всего имеется 64 кодона, три из которых не кодируют никакой аминокислоты; УАГ, УАА и УГА обозначают конец матрицы: на этих триплетах обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи — терминирующие триплеты.

Терминирующие кодоны узнаются специфическими белками — факторами терминации. Надежность распознавания этих триплетов невысока и поэтому терминирующий триплет иногда может прочитываться как кодон аминокислоты. Из-за этого терминирующие кодоны обычно дублируются. При этом первым обычно располагается кодон УАА, а уже за ним на близком расстоянии следует один из запасных терминирующих триплетов (УАГ или УГА).

Код в основном одинаков у всех животных организмов от вирусов до человека. В этом проявляется его универсальность, свидетельствующая о древности его происхождения и консервативности. Сходство кода у разных организмов является доказательством того, что все живые организмы в процессе эволюции произошли от единого предка.

Процессы синтеза ДНК, РНК и белков практически одинаковы у всех живых организмов. Поэтому в основе эволюции организмов были заложены механизмы образования новых генов, обусловливающих синтез различных функциональных белков, отличающихся по структуре и функциям. Это способствовало появлению разнообразных живых организмов на нашей планете.

248

15.1. Биосинтез полипептидной цепочки белка на рибосоме

ДНК

транскрипция

преРНК

сплайсинг

мРНК

трансляция

рибосомы

тРНК

Рис. 15.1. Общая схема биосинтеза белка (Спирин, 1986)

Всего 20 разновидностей аминокислот могут быть включены в первичную структуру белка. Радикалы этих аминокислот проявляют гидрофобные, полярные незаряженные и заряженные (положительно и отрицательно) свойства. В полярной среде белки приобретают устойчивую структуру, при этом заряженные аминокислотные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы. Тогда как полярные и гидрофобные аминокислотные остатки обращены преимущественно вовнутрь белка. Таким образом, сформированный белок приобретает функциональную активность. Причем поверхностные аминокислотные остатки несут информацию о клетке, реализация которой обеспечивает их упорядоченное в ней расположение и функционирование.

Функционально активным белок становится в процессе фолдинга, после завершения которого белки приобретают способность выполнять

249

Глава 15. Метаболизм белков

специализированные функции. При этом только небольшая группа аминокислот, расположенных на поверхности белковой глобулы, способна участвовать в функциональном действии белка.

Биосинтез белка представляет собой циклический энергозависимый многоступенчатый процесс, протекающий с участием мРНК, тРНК, рибосомы и различных инициирующих факторов. Вначале процесса происходит активирование аминокислот, а затем при наличии мРНК формирование функционально активной рибосомы. Процесс завершается образованием полипептидной цепочки, в составе которой количественный и качественный состав аминокислот будет определять индивидуальное строение будущего белка, его функциональные возможности и место локализации в структуре клеток.

250

15.1. Биосинтез полипептидной цепочки белка на рибосоме

Активирование аминокислот. Этот этап сопровождается присоединением аминокислоты, предназначенной для включения в состав полипептидной цепочки, к соответствующей тРНК. Процесс катализируют специализированные ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы. Ферменты обладают высокой специфичностью как к аминокислоте, так и к соответствующей тРНК.

Процесс ацилирования аминокислот протекает в цитоплазме клетки в две стадии. Сначала происходит образование аминоациладенилата. При этом карбоксильная группа аминокислоты связывается ангидридной связью с 5′-фосфатной группой АМФ с выделением пирофосфата.

Затем происходит перенос аминоацильного остатка на специфическую тРНК с образованием сложноэфирной связи между карбоксильной группой аминокислоты и 3′-ОН-группой концевого аденозинового остатка тРНК.

Таким образом, результатом реакции этерификации является образование соответствующих аминоацил-тРНК, способных участвовать в процессе синтеза полипептидной цепочки.

Трансляция. Матричный синтез белка протекает с участием рибосомы. В результате этого процесса осуществляется перевод информации, заложенной в последовательности нуклеотидов мРНК, в последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи. Трансляция протекает в три этапа: инициация (начало процесса), элонгация (развитие процесса) и терминация (окончание процесса).

При наличии мРНК, которые поступают из ядра в цитоплазму через ядерные поры, происходит сборка рибосом. Началом синтеза белка является присутствие в составе мРНК концевых триплетов АУГ или ГУГ. Инициатором процесса служит метионил-тРНК, которая реагирует с факторами инициации elF-5, elF-2, elF-3, с 40S-субчастицей рибосомы и мРНК.

О

H3C–S–CH2–CH2–CH–C O-тРНК

NH2

Метионил-тРНК

251

Глава 15. Метаболизм белков

Процесс инициации протекает следующим образом. Инициирующий фактор elF-3 соединяется с малой субчастицей рибосомы (40S), а фактор elF-2 соединяется с ГТФ. Затем к комплексу elF-2-ГТФ присоединяется метионил-тРНК. В дальнейшем к комплексу elF-2-ГТФ присоединяется 40S-субчастица с elF-3. В результате образуется комплекс 40S-elF-3-ГТФ- elF-2-метионил-тРНК. К этому комплексу присоединяется мРНК своим 5′-концом при участии elF-5. Завершается процесс сборки рибосомы присоединением большой субчастицы рибосомы (60S), что сопровождается высвобождением факторов инициации, а также ГДФ и Н3РО4. После этого факторы инициации могут быть использованы для инициации синтеза новых рибосом.

Синтез пептидов в митохондриях и хлоропластах протекает с участием формилметионил-тРНК.

О

H3C–S–CH2–CH2–CH–C O-тРНК

NH

СНО Формилметионил-тРНК

Начало элонгации характеризуется тем, что в Р-участке рибосомы находится метионил-тРНК. При этом А-участок свободен и в нем находится следующий кодон мРНК. Поэтому вновь поступающая аминоацил-тРНК имеет антикодон, соответствующий кодону мРНК в А-участке. Для осуществления распознавания и связывания аминоацил-тРНК в А-участке требуется ГТФ и фактор элонгации (EF-1). Специфичность связывания очередной аминоацил-тРНК в А-участке осуществляется благодаря соответствию кодона мРНК антикодону тРНК. После этого происходит образование пептидной связи в пептидил-трансферазном центре большой субчастицы рибосомы, которая формируется в результате взаимодействия аминогруппы с вновь поступившей в рибосому аминокислоты с карбоксилом предыдущей аминокислоты. Реакция катализируется пептидилтрансферазой, входящей в состав большой субчастицы рибосомы. После образования пептидной связи осуществляется передвижение (транслокация) мРНК в рибосоме на один кодон. В этом действии участвует фактор инициации (EF-2) и расходуется энергия молекулы ГТФ.

В результате транслокации мРНК перемещается на один триплет, а ди- пептидил-тРНК поступает в Р-участок, вытесняя инициаторную мети- онил-тРНК. При этом в А-участок встает следующий кодон. Процесс повторяется при наличии следующей аминоацил-тРНК. Считывание информации с мРНК идет в направлении 5′→3′полинуклеотидной цепочки, а полипептидная цепь растет от N-конца к С-концу.

252