Прокариоты и эукариоты используют два разные пути к инициирующему кодону.
У прокариот происходит внутренняя инициация, когда малая рибосомнаясубчастица связывается непосредственно с инициирующим кодоном мРНК, независимо от его удаленности от начала кодирующей последовательности. Если цепь мРНК содержит несколько кодирующих областей для различных белков (полигенная мРНК), то этот способ обеспечит инициацию трансляции сразу нескольких белков независимо друг от друга. Эукариоты могут использовать путь внутренней трансляции в некоторых специальных случаях: например, когда мРНК кодирует несколько регуляторных белков, необходимых для эмбрионального развития.
У эукариот малая рибосомнаясубчастица, как правило, сначала присоединяется на 5'-конец мРНК, а затем движется вдоль цепи и сканирует (просматривает) ее, пока не встретит инициирующий кодон. Этот способ получил название терминальной инициации. Для осуществления этого пути эукариотическая клетка обладает набором специальных белков ? факторов инициации, которые служат для определения рибосомной частицей 5'-конца мРНК и ее дальнейшего движения (рис. 8).
Рис. 8. Схематическое представление двух способов выхода рибосомной частицы (малой рибосомной субчастицы) на стартовую позицию трансляции мРНК: способ терминальной инициации, свойственной эукариотам (вверху), и способ внутренней инициации, используемый в основном прокариотами (внизу)
У прокариот инициация протекает при участии трех специфических белков - факторов инициации, которые подвижно связываются с малой субчастицей рибосомы, а по окончании фазы отделяются от нее, уходят в цитоплазму. Источником энергии служит молекула ГТФ. Первой (инициаторной) служит формилметионил-тРНКМет. У эукариот первой является метионил-тРНКМет, а факторов инициации значительно больше - около 12-ти. Последовательность событий в процессе инициации трансляции у эукариот примерно та же, что и у прокариот.
Белковые факторы инициации трансляции у эукариот обозначаются как eIF (от англ. Eukaryoticinitiationfactors) с указанием номера. После сборки инициирующего комплекса все они освобождаются в цитоплазму. В «собранной» рибосоме Р-центр занимает метионил-тРНК, а в А-центре помещается триплет мРНК, кодирующий первую аминокислоту белка.
Далее начинается самый продолжительный этап белкового синтеза - элонгация. В ходе элонгации рибосома с помощью транспортных РНК «читает» кодоны мРНК, наращивая полипептидную цепочку за счет последовательного присоединения аминокислот. Элонгация начинается от момента образования первые пептидной связи и заканчивается после включения в полипептидную цепь последней аминокислоты.
Функция рибосомы заключается в том, чтобы удерживать в нужном положении мРНК, тРНК, аминокислотные остатки и белковые факторы элонгации до тех пор, пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь. Элонгация ? это повторяющийся процесс. Присоединение каждого аминокислотного остатка к растущей полипептидной цепи происходит в 3 стадии:
связывание с А-центром рибосомы аа-тРНК, соответствующей очередному кодону;
образование новой пептидной связи за счет присоединения пептида, находящегося в Р-центре, к аминогруппе аа-тРНК, находящейся в А-центре;
перемещение пептидил- тРНК из А-центра в Р-центр в результате передвижения рибосомы по мРНК на один кодон.
Так, по окончании инициации в Р-центре стоит метионил-тРНК, а в А-центре очередной кодон. К нему присоединяется аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону и взаимодействует с ним. Благодаря особенностям трехмерной организации тРНК вторая аминокислота встает в А-центр, но вблизи от ранее включенной аминокислоты метионина, находящейся в Р-центре. Сразу после этого протекает реакция образования пептидной связи (реакция транспептидации), которую катализирует 28S рРНК, входяшая в состав большой субъединицы рибосомы. Таким образом, 28S рРНК является рибозимом.
Метионин теряет связь со своей тРНК. В Р-центре остается "пустая", не нагруженная тРНК, которая уходит в цитоплазму. Рибосома перемещается вдоль цепи мРНК на один кодон. Нагруженная полипептидной цепочкой пептидил-тРНК переходит из А-центра в Р-центр. В А-центре устанавливается следующий кодон.
Цикл повторяется столько раз, сколько аминокислотных остатков содержится в полипептидной цепи. В процессе участвуют белковые факторы элонгации:EF1 необходим для связывания аа-тРНК в А-центре, а ЕF2 - для перемещения рибосомы по мРНК к 3'-концу за счет энергии гидролиза ГТФ. На присоединение каждой аминокислоты затрачивается энергия двух молекул ГТФ, которые гидролизуются до ГДФ и Фн. Растущая полипептидная цепь все время остается связанной с тРНК, соответствующей последней включенной аминокислоте.
Для терминации (окончания) синтеза полипептидной цепи необходим специальный сигнал в мРНК - терминирующий кодон (УАГ, УАА или УГА ). С кодоном терминации, стоящим в А-центре, взаимодействуют особые белки ? факторы терминации - рилизинг-факторы (от англ. release - высвобождать). С кодоном терминации связывается RF1 (или RF2), а RF3 взаимодействует с пептидилтрансферазным центром. В результате этого последний катализирует реакцию взаимодействия пептидил-тРНК с молекулой воды. Связь полипептида с конечной тРНКгидролизуется, полипептид освобождается в виде готового белка. тРНК выходит из Р-центра, а рибосома диссоциирует на субчастицы, готовые к синтезу новой полипептидной цепи.
В случае полигенной мРНК малая субчастица может задерживаться на мРНК, скользить по ней и инициировать трансляцию следующей полипептиднои цепи.
Несмотря на большую сложность, биосинтез белковых: молекул протекает с чрезвычайно высокой скоростью: так, полипептидная цепь из 100 аминокислотных остатков синтезируется за 5 с. Скорость биосинтеза может увеличиваться в несколько раз за счет того, что на одной мРНК могут вести синтез одновременно несколько рибосом. Группы рибосом, соединенных друг с другом одной молекулой мРНК, называют полирибосомами или полисомами.
Таким образом, матричная природа процесса трансляции проявляется в том, что включение аминокислот в полипептидную цепь однозначно определяется порядком расположения кодонов вдоль цепи мРНК. Субъединиы рибосом выполняют в процессе трансляции разные функции: малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК, а большая отвечает за катализ образования пептидных связей.
8. Приобретение белковой молекулой биологических функций
Белок остается биологически неактивным до тех пор, пока он не свернется с образованием присущей ему третичной структуры (нативнойконформации), которая определяется аминокислотной последовательностью. В какой-то момент, во время синтеза полипептидной цепи или после его завершения, белок самопроизвольно принимает свою специфическую трехмерную структуру. Однако часто построенная на рибосоме полипептидная цепь не может принять окончательную биологически активную конформацию, пока не подвергнется процессингу, или ковалентной модификации.
У различных белков процессинг протекает по-разному. При этом может происходить отщепление ферментами "лишних" аминокислотных остатков (например, инициирующих), введение в определенные аминокислотные остатки фосфатных, метильных, карбоксильных, олигосахаридных или простетических групп.
Например, гормоны поджелудочной железы инсулин и глюкагон синтезируются в виде неактивных предшественников. Сначала из них удаляются сигнальные пептиды, в результате чего образуются прогормоны. Затем уже в секреторных гранулах прогормоны превращаются в активные гормоны.
Новообразованные белки направляются в ту часть клетки, где они выполняют свои функции: некоторые поступают просто в клеточный цитозолъ, другие ? к различным клеточным органеллам, третьи секретируются из клетки, наконец, некоторые встраиваются в ту или иную клеточную мембрану, где работают в качестве ферментов или переносчиков. Роль сигналов, направляющих белки к месту их функционирования, выполняют лидерные последовательности, расположенные в начале полипептидной цепи. Они образуются в процессе биосинтеза белка на рибосоме первыми и узнаются особыми участками внешней поверхности мембран нередко даже раньше, чем рибосома завершит синтез белка.
Рибосомы, связанные с шероховатой эндоплазматической сетью, участвуют в биосинтезе белков, которые либо временно остаются в клетке, либо сразу же выводятся из нее. Белки проталкиваются внутрь цистерн, откуда в конечном итоге выводятся во внеклеточное пространство.
Заключение
Все многоклеточные организмы, в том числе и человек, построены из клеток разнообразных типов. Различия между ними обусловлены главным образом тем, что они синтезируют свой набор белков. В то же время в ядрах всех, за небольшим исключением, клеток содержится полный набор последовательностей ДНК, характерный для вида. Следовательно, набор специфических белков обусловлен изменением набора экспрессируемых генов. Спектр функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла, от стадии индивидуального развития организма. Контроль синтеза специфических белков осуществляется на всех уровнях экспрессии генетической информации: транскрипции, трансляции, транспорта, процессинга, посттрансляционной модификации и других.
Все механизмы регуляции биосинтеза белка лежат в основе дифференцировки клеток.
Список использованной литературы
биосинтез белок биохимический
1. Биосинтез белка и его регуляция. Пособие для школьников, абитуриентов, студентов/ А.Н. Леонтьева ? Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского 2005 г.
2. Биохимия. Учебник для вузов. Под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАР-МЕД. ? 2003. 784 с.: (Серия «XXI век»).
3. Грин Н., Стаут У., Тейлр Д. Биология. М.: Мир, 1990. т. 1-3.
4. Дмитриев Р.И. и др. Тканеспецифичность продуктов альтернативного сплайсингамРНК мыши // Биоорганическая химия, 2005. Т. 31, №4. С. 363-371.
5. Молекулярная биология: рибосомы и биосинтез белка: учебник для студ. высш. проф. образования/ А.С. Спирин. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. -496 с.