Репликация, трансляция и транскрипция

Введение

Тема работы - синтез ДНК, РНК и белков. Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией (удвоением), синтез РНК - транскрипцией (переписывание с ДНК), синтез белка, проводимый рибосомой на матричной РНК называется трансляцией, то есть переводом с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Мы постараемся дать краткий обзор всех этих процессов, в то же время останавливаясь более подробно на молекулярных деталях, для того чтобы получить представление, на какую глубину этот предмет изучен.

Репликация

РЕПЛИКАЦИЯ (от позднелат. replicatio - повторение) (редупликация), самовоспроизведение нуклеиновых кислот (обычно ДНК, у некоторых вирусов РНК), обеспечивающее точное копирование генетич. информации и передачу ее от поколения к поколению. При репликации ДНК нуклеотидная последовательность копируется (целиком или частично) в виде комплементарной последовательности дезоксирибонуклеотидов.

В процессе репликации двойная спираль ДНК, состоящая из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, раскручивается на отдельные цепи и одновременно начинается синтез новых полинуклеотидных цепей; при этом исходные цепи ДНК играют роль матриц. Новая цепь, синтезирующаяся на каждой из исходных цепей, идентична дрепликация исходной цепи. Когда процесс завершается, образуются две идентичные двойные спирали, каждая из которых состоит из одной старой (исходной) и одной новой цепи (рис. 1). Таким образом от одного поколения к другому передается только одна из двух цепей, составляющих исходную молекулу ДНК - то есть, полуконсервативный механизм репликации

РЕПЛИКАЦИЯ состоит из большого числа последоват. этапов, к-рые включают узнавание точки началу РЕПЛИКАЦИЯ, расплетание исходного дуплекса (спирали), удержание его цепей в изолированном друг от друга состоянии, инициацию синтеза на них новых дочерних цепей, их рост (элонгацию), закручивание цепей в спираль и терминацию (окончание) синтеза. Все эти этапы РЕПЛИКАЦИЯ, протекающие с высокой скоростью и исключит. точностью, обеспечивает комплекс, состоящий более чем из 20 ферментов и белков,-т. наз. ДНК-репликазная система, или реплисома. Функцион. единица РЕПЛИКАЦИЯ-реплик он, представляющий собой сегмент (участок) хромосомы или внехромосомной ДНК, ограниченный точкой начала, в которой инициируется РЕПЛИКАЦИЯ, и точкой окончания, в которой РЕПЛИКАЦИЯ останавливается. Скорость РЕПЛИКАЦИИ контролируется на стадии инициации. Однажды начавшись, РЕПЛИКАЦИЯ продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован (удвоен). Частота инициации определяется взаимодействием спец. регуляторных белков с точкой начала РЕПЛИКАЦИИ. Бактериальные хромосомы содержат один репликон: инициации в единственной точке начала РЕПЛИКАЦИИ ведет к РЕПЛИКАЦИИ всего генома. В каждом клеточном цикле РЕПЛИКАЦИЯ инициируется только один раз, Плазмиды и вирусы, являющиеся автономными генетич. элементами, представляют собой отдельные репликоны, способные к многократной инициации в клетке-хозяине. Эукариотич. хромосомы (хромосомы всех организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) содержат большое число репликонов, каждый из которых также однократно инициируется за один клеточный цикл.

Рис. 1. Схема полуконсервативного механизма Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.: А, Т, G и С-остатки пуриновых и пиримидиновых оснований (соотв. аденина, тимина, гуанина и цитозина); 1 -исходная цепь ДНК; 2-новая цепь ДНК.

Начиная с точки инициации, РЕПЛИКАЦИЯ осуществляется в ограниченной зоне, перемещающейся вдоль исходной спирали ДНК. Эта активная зона РЕПЛИКАЦИИ (т. наз. репликац. вилка) может двигаться в обоих направлениях. При однонаправленной РЕПЛИКАЦИИ вдоль ДНК движется одна репликац. вилка. При Двунаправленной РЕПЛИКАЦИИ от точки инициации в противоположных направлениях расходятся две репликац. вилки; скорости их движения могут различаться. При РЕПЛИКАЦИИ ДНК бактерии и млекопитающих скорость роста дочерней цепи составляет соотв. 500 и 50 нуклеотидов в 1 с; у растений эта величина не превышает 20 нуклеотидов в 1 с. Движение двух вилок в противоположных направлениях создает петлю, которая имеет вид "пузыря" или "глаза". Продолжающаяся РЕПЛИКАЦИЯ расширяет "глаз" до тех пор, пока он не включит в себя весь репликон.

В ходе РЕПЛИКАЦИИ рост цепи осуществляется благодаря взаимодействию дезоксирибонуклеозидтрифосфата с 3'-ОН концевым ну-клеотидом уже построенной части ДНК; при этом отщепляется пирофосфат и образуется фосфодиэфирная связь. Рост полинуклеотидной цепи (рис. 2) идет только с ее З'-конца, т. е. в направлении 5': 3' (см. Нуклеиновые кисло-ты). Фермент, катализирующий эту р-цию,-ДНК-полиме-раза (см. Полидезоксирибонуклеотид-синтетазы)-не способен начать матричный синтез на одноцепочечной ДНК, если нет хотя бы олигонуклеотидного биспирального участка (т. наз. затравочного олигонуклеотида) комплементарного матрице; затравочным олигонуклеотидом во мн. случаях является не ДНК, а РНК.

Рис. 2. Направление роста дезоксирибонуклеотидных цепей при Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.; сплошные линии - исходная ДНК, пунктирные - новые цепи ДНК (стрелки показывают направление их роста); 1-репликац. вилка.

Энергия, затрачиваемая на образование каждой новой фосфодиэфирной связи в цепи ДНК, обеспечивается расщеплением фосфатной связи между a- и b-фосфатными группами нуклеозидтрифосфата.

ДНК-полимераза имеет один центр связывания нуклеозидтрифосфата, общий для всех четырех нуклеотидов. Выбор из среды нуклеотида, основание к-рого комплементарно очередному основанию матрицы, протекает без ошибок, благодаря определяющему влиянию ДНК-матрицы (исходной цепи ДНК). При нек-рых мутационных повреждениях структуры ДНК-полимеразы в ряде случаев происходит включение некомплементарных нуклеотидов.

В процессе РЕПЛИКАЦИИ формальной ДНК на короткое время с вероятностью 10-4-10-5 возникают редкие таутомерные формы всех 4 азотистых оснований нуклеотидов, к-рые образуют неправильные пары. Высокая точность РЕПЛИКАЦИИ (вероятность ошибок не превышает 10-9) обусловлена наличием механизмов, осуществляющих коррекцию (репарацию).

Репликац. вилка асимметрична. Из двух синтезируемых дочерних цепей ДНК одна строится непрерывно, а другая-с перерывами. Первую наз. ведущей, или лидирующей, цепью, а вторую-отстающей. Синтез второй цепи идет медленнее; хотя в целом эта цепь строится в направлении 3': 5', каждый из ее фрагментов в отдельности наращивается в направлении 5': 3' (рис. 3). Благодаря такому прерывистому механизму синтеза, РЕПЛИКАЦИЯ обеих антипараллельных цепей осуществляется с участием одного фермента-ДНК-полимеразы, катализирующего наращивание нуклеотидной цепи только в направлении 5': 3'.

Рис. 3. Схема механизма роста цепей ДНК при Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.: А-ведущая цепь, Б-отстающая цепь, В-фрагмент Оказаки.

В качестве затравок для синтеза фрагментов отстающей цепи служат короткие отрезки РНК, комплементарные матричной цепи ДНК. Эти РНК-затравки (праймеры), состоящие примерно из 10 нуклеотидов, с определенными интервалами синтезируются на матрице отстающей цепи из рибонуклеозидтрифосфатов в направлении 5': 3' с помощью фермента РНК-праймазы. РНК-праймеры затем наращиваются дезоксинуклеотидами с 3'-конца ДНК-поли-меразой, к-рая продолжает наращивание до тех пор, пока строящаяся цепь не достигает РНК-затравки, присоединенной к 5'-концу предыдущего фрагмента. Образующиеся таким образом фрагменты (т. наз. фрагменты Оказаки) отстающей цепи насчитывают у бактерий 1000-2000 дез-оксирибонуклеотидных остатков; в животных клетках их длина не превышает 200 нуклеотидов.

Чтобы обеспечить образование непрерывной цепи ДНК из многих таких фрагментов, в действие вступает особая система репарации ДНК, удаляющая РНК-затравку и заменяющая ее на ДНК. У бактерий РНК-затравка удаляется нуклеотид за нуклеотидом благодаря 5': 3'-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы. При этом каждый отщепленный рибонуклеотидный мономер замещается соответствующим дезоксирибонуклеотидом (в качестве затравки используется З'-конец синтезированного на старой цепи фрагмента). Завершает весь процесс фермент ДНК-лигаза, катализирующий образование фосфодиэфирной связи между группой З'-ОН нового фрагмента ДНК и 5'-фосфатной группой предыдущего фрагмента. Образование этой связи требует затраты энергии, к-рая поставляется в ходе сопряженного гидролиза пирофосфатной связи кофермента-никотинамид-адениндинуклеотида (в бактериальных клетках) или АТФ (в животных клетках и у бактериофагов).

Раскручивание двойной спирали и пространств. разделение цепей осуществляется при помощи неск. спец. белков. Т. наз. геликазы расплетают короткие участки ДНК, находящиеся непосредственно перед репликац. вилкой. На разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТФ до аденозиндифосфата и фосфата. К каждой из разделившихся цепей присоединяется неск. молекул ДНК-связывающих белков, к-рые препятствуют образованию комплементарных пар и обратному воссоединению цепей. Благодаря этому нуклеотидные последовательности цепей ДНК оказываются доступными для репликативной системы. Дрепликация специфич. белки помогают праймазе получить доступ к матрице отстающей цепи. В результате праймаза связывается с ДНК и синтезирует РНК-затравки для фрагментов отстающей цепи. Для формирования новых спира-,лей не требуется ни затрат энергии, ни участия к.-л. "закручивающего" фермента.

В случае кольцевого репликона (напрепликация, у плазмиды) описанный процесс наз. q-репликацией. Т.к. кольцевые молекулы ДНК закручены сами на себя (суперспирализо-ваны), при раскручивании двойной спирали в процессе РЕПЛИКАЦИЯ они должны непрерывно вращаться вокруг собств. оси. При этом возникает торсионное напряжение, к-рое устраняется путем разрыва одной из цепей. Затем оба конца сразу же вновь соединяются друг с другом. Эту ф-цию выполняет фермент ДНК-топоизомераза. РЕПЛИКАЦИЯ в этом случае обычно происходит в двух направлениях, т.е. существуют две репликац. вилки (рис. 4). После завершения РЕПЛИКАЦИЯ появляются две двухцепочечные молекулы, к-рые сначала связаны друг с другом как звенья одной цепи. При их разделении одно из двух колец временно разрывается.

Рис. 4. Один из механизмов Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. плазмиды (начало Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. обозначено точками); направления движения репликац. вилки показаны стрелками, образующиеся новые цепи ДНК-пунктиром.

Альтернативный вариант РЕПЛИКАЦИЯ кольцевого репликона предполагает разрыв в одной из цепей двухспиральной молекулы ДНК. Образовавшийся при этом свободный 3'-конец кова-лентно наращивается, оставаясь связанным с матрицей (второй, неразорванной цепью), а 5'-конец постепенно вытесняется новой полинуклеотидной цепью (рис. 5). Таким образом одна цепь разматывается и непрерывно удлиняется, а репликац. вилка скользит вокруг кольцевой матричной цепи (механизм "катящегося кольца"). По мере роста новой цепи вытесненная цепь с освободившимся 5'-концом становится линейной матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Этот синтез на линейной матрице продолжается до тех пор, пока не образуется дочерняя цепь ДНК, комплементарная одному обороту кольцевой матрицы, т. е. целому репликону. Таким путем с кольцевой матрицы может сходить большое число комплементарных копий. Такой механизм обнаружен у нек-рых вирусов, а также в ряде клеток эукариот.

Рис. 5. Схема Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. по механизму катящегося кольца (новая молекула ДНК показана пунктиром): 1-3'-конец ДНК; 2-5'-конец ДНК.

Еще одна схема РЕПЛИКАЦИЯ предполагает формирование структуры, названной D-петлей. Согласно этому механизму, сначала реплицируется только одна из цепей кольцевого репликона, тогда как вторая цепь, оставаясь интактной, вытесняется, образуя петлю. РЕПЛИКАЦИЯ второй цепи начинается с дрепликация стартовой точки и только после того, как реплицировалась часть первой цепи. Такой механизм РЕПЛИКАЦИИ обнаружен, напрепликация, у митохондриальных ДНК.

РЕПЛИКАЦИЯ РНК (синтез РНК на РНК-матрице) изучена меньше. Она осуществляется только у нек-рых вирусов (напрепликация, у вирусов полиомиелита и бешенства). Фермент, катализирующий этот процесс,-РНК-зависимая РНК-полимераза (его называют также РНК-репликазой или РНК-синтетазой). Известно неск. типов Р, РНК: 1) вирусы, содержащие матричные РНК, или мРНК [т. наз. (+)РНК], в результате РЕПЛИКАЦИЯ образуют комплементарную ей цепь [(-)РНК], не являющуюся мРНК, к-рая используется как матрица для синтеза (+)РНК; 2) вирусы, содержащие (--)РНК, в результате РЕПЛИКАЦИЯ синтезируют (+)РНК; 3) вирусы, содержащие двухцепочечную РНК [(+)PHK и (--)РНК], в результате асимметрической РЕПЛИКАЦИЯ синтезируют (+)РНК.

Гипотеза о механизме РЕПЛИКАЦИЯ сформулирована в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком, к-рые предположили, что две комплементарные цепи ДНК после их разделения могут выполнять ф-ции матриц для образования на них новых цепей ДНК. В 1958 М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили такой механизм РЕПЛИКАЦИИ.

Транскрипция

Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать) в последовательность РНК. При этом ДНК служит только матрицей, т. е. она не меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности ДНК, т. е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются генами. Установлено, что геном млекопитающих содержит по крайней мере 50000 индивидуальных генов, которые вместе составляют менее 20% суммарной ДНК генома. Функция «избыточных» последовательностей ДНК до конца не установлена.

А. Транскрипция и созревание РНК: общие сведения

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. Они действуют подобно ДНК-полимеразам, за исключением того, что включают во вновь синтезируемую цепь РНК (RNA) рибонуклеотиды вместо дезоксирибонуклеотидов и не нуждаются в праймерах. Эукариотические клетки обычно содержат по крайней мере три различных типа РНК-полимераз, РНК-полимераза I катализирует синтез РНК с коэффициентом седиментации 45S, которая служит предшественником трех различных рибосомных РНК. РНК-полимеразы II синтезируют гяРНК (hnRNA), которые служат предшественниками мРНК (mRNA) и мяРНК (snRNA). Наконец, РНК-полимераза III транскрибирует гены, которые кодируют тРНК (tRNA), 5S- рРНК (rRNA) и некоторые мяРНК. Эти РНК служат предшественниками функциональных РНК, которые образуются в процессе созревания РНК. РНК-полимераза II ингибируется б-аманитином (ядом бледной поганки).

Б. Структура в-глобинового гена

В качестве примера организации небольшого эукариотического гена представлена схема гена, кодирующего в-цепь гемоглобина (146 аминокислот). Этот ген состоит из более чем 2000 п.о. (2 тыс. п.о.). Однако из них только около 450 п.о. из них несут информацию об аминокислотной последовательности в-глобина. Кроме трех кодирующих участков (экзонов), ген включает два некодирующих (интроны, I1 и I2). На 5'-конце гена располагается промоторный участок (розовый цвет) длиной приблизительно 200 п.о., который имеет регуляторную функцию. Транскрипция начинается с 3'-конца промоторного участка и продолжается, пока не достигнет сайта полиаденилирования (см. ниже). Образующийся первичный транскрипт (гяРНК) в-глобинового гена состоит из ~1600 п.о. Во время созревания РНК некодирующие последовательности, соответствующие интронам, удаляются и, кроме того, оба конца гяРНК модифицируются. Зрелая в-глобиновая мРНК включает в себе ~40% гяРНК и дополнительно 3'-концевую последовательность из 100-200 АМФ (AMP) («поли-А-сегмент»;

У многих генов разделение на экзоны и интроны еще более выражено. Так, общая длина гена дигидрофолатредуктазы (см. с. 388) составляет выше 30 тыс.п.о. Информация об аминокислотной последовательности распределена по 6 экзонам, которые в сумме составляют только ~6 тыс.п.о.

В. Процесс транскрипции

Как уже упоминалось, РНК-полимераза II связывается с 3'-концом промоторного участка. Последовательность, обеспечивающая это связывание, так называемый ТАТА-бокс, короткий А- и Т-обогащенный участок, последовательность которого слегка варьирует у разных генов. Типичная последовательность (каноническая) --...ТАТААА.... Для взаимодействия полимеразы с этим участком необходимы несколько белков, основных факторов транскрипции. Дополнительные факторы могут либо стимулировать, либо ингибировать этот процесс (контроль транскрипции).

После инициации синтеза (2), РНК-полимераза движется в направлении 3'>5' матричной цепи. В процессе инициации фермент разделяет короткий участок двойной спирали ДНК на две отдельные цепочки. Нуклеозидтрифосфаты связываются комплементарно на кодирующей цепочке ДНК водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей молекуле РНК (3). Вскоре после начала элонгации 5'-конец транскрипта защищается «кэпом» (от англ. cap). Как только транскрипция доходит до сайта полиаденилирования (обычно это последовательность...ААТААА...), транскрипт отщепляется (4). После этого полимераза прекращает транскрипцию и диссоциирует от ДНК.

Рис. 6

Трансляция

Многоступенчатый матричный синтез белка, или собственно трансляцию, протекающую в рибосоме, также условно делят на 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции. Стадия инициации, являющаяся «точкой отсчета» начала синтеза белка, требует соблюдения ряда условий, в частности наличия в системе, помимо 70S (или 80S) рибосом, инициаторной амино-ацил-тРНК (аа-тРНК), инициирующих кодонов в составе мРНК и белковых факторов инициации. Экспериментально доказано, что синтез белка инициирует единственная аминокислота - метионин. В кодовом «словаре» имеется только один кодон для метионина (АУГ), однако во всех живых организмах открыты две тРНК для метионина: одна используется при инициации синтеза белка, другая - для включения метионина во внутреннюю структуру синтезируемого полипептида в стадии элонгации (см. далее). Соответственно эти тРНК принято обозначать тРНКфМет и тРНКМет. Укажем также, что эукариотическая клетка не нуждается в формилировании метионина.

У прокариот синтез N-формилметионил-тРНК протекает в две стадии (рис. 7):

Данную стадию катализирует метионил-тРНК-синтетаза. Реакция нуждается в доставке энергии гидролиза АТФ. Рис. 8

Катализирующая II стадию трансформилаза оказалась более специфичной, чем метионил-тРНК-синтетаза: она не формилирует ни свободный метионин, ни метионин в комплексе с тРНКМет.

Таким образом, N-формилметионил-тРНК является первой аа-тРНК, которая определяет включение N-концевого остатка аминокислоты и тем самым начало трансляции. Процесс формилирования имеет важный химический и биологический смысл: блокируя участие NН2-группы метионина в образовании пептидной связи, он обеспечивает тем самым синтез белка в направлении NH2 -> СООН; образовавшаяся формилметионил-тРНК, кроме того, первой связывается с определенным участком 30S субчастицы рибосомы и с мРНК.

Необходимым условием инициации, как было отмечено, является также наличие инициирующих кодонов, кодирующих формилметионин. У бактерий эту функцию выполняют триплеты АУГ и ГУГ мРНК. Однако они кодируют формилметионин (или начальный метионин в эукариотической клетке) только будучи начальными триплетами при считывании мРНК. Если эти триплеты являются обычными, т.е. внутренними, то каждый из них кодирует свою аминокислоту: в частности, АУГ кодирует метионин, а ГУГ - валин. Ясно, что начальный, инициаторный 5'-АУГ-кодон должен чем-то отличаться от других АУГ-кодонов, возможно, структурой окружения триплета. Предполагают, что инициаторному 5'-АУГ-кодону у прокариот предшествует сигнальная полипуриновая (порядка от 8 до 13 оснований) последовательность (Shine-Dalgarno sequence), которая узнается полипиримидиновой 3'-антипараллельной последовательностью в молекуле 16S рРНК 30S субчастицы. Допускается, кроме того, существование определенных различий во вторичной структуре мРНК в участке инициирующего кодона, способствующих его узнаванию.

К настоящему времени выяснена природа белковых факторов инициации. У Е. coli открыты три таких инициирующих фактора, обозначаемых соответственно IF-1, IF-2, IF-3. Все они получены в высокоочищенном состоянии с примерными молекулярными массами 9000, 10000 и 22000 соответственно. IF-3 обеспечивает узнавание участка на молекуле мРНК, к которому присоединяется формилметионил-тРНК. Данный белковый фактор первым связывается со свободной 30S субчастицей рибосомы и препятствует ассоциации 30S и 50S субчастиц в 70S рибосому без молекулы мРНК. IF-1 способствует связыванию инициатор-ной формилметионил-тРНК с комплексом 30S субчастицы и мРНК. Белковый фактор IF-2, вероятнее всего, способствует объединению 30S и 50S субчастиц после того, как на первой субчастице уже присутствуют инициирующие кодоны мРНК, N-формилметионил-тРНК, IF-3, IF-1 и ГТФ. Этот белок рассматривают как фактор стабилизации всего инициаторного 70S комплекса (см. далее).

Рис. 9 Схематическое изображение взаимодействия формилметионил-тРНК и мРНК с 30S субчастицей рибосомы (а) и транслирующей (функционально активной) 70S рибосомой (б).

Аналогичные белковые факторы инициации обнаружены также в эука-риотических клетках. Открыто около 10 эукариотических белковых факторов инициации, их принято обозначать eIF. Все они, по-видимому, важны для инициации, однако только три из них абсолютно необходимы и существенны для белкового синтеза: eIF-2, eIF-3 и eIF-5. Они получены в чистом виде: eIF-2 состоит из б-, в- и г-субъединиц (мол. масса 38000, 47000 и 50000 соответственно), eIF-3 (мол. масса 500000-700000) и eIF-5 (мол. масса 125000). Укажем также, что в синтезе белка их роль тождественна роли инициаторных белков у прокариот. Отличительной особенностью синтеза белка у эукариот является, кроме того, наличие среди 10 белковых факторов инициации еще одного белка, названного кэп-связы-вающим. Соединяясь с 5'-участком кэп мРНК, этот белок содействует образованию комплекса между мРНК и 40S рибосомной субчастицей. Необходимо отметить, что до сих пор не раскрыты тонкие молекулярные механизмы участия белковых факторов инициации как у про-, так и у эукариот в сложном процессе синтеза белка.

Образование инициаторного комплекса. Экспериментально доказано, что в процессе белкового синтеза наблюдаются постоянная диссоциация 70S рибосом на 30S и 50S субчастицы и последующая их реассоциация. Сначала образуется инициаторный комплекс путем присоединения белковых факторов, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице, к которой комплементарно антикодону формилметионил-тРНК присоединяется мРНК при участии кодона АУГ (рис. 9).

Следует указать на особую роль формилметионил-тРНК: она помогает мРНК найти на 30S субчастице определенное местоположение, обеспечивающее точную трансляцию информации о последовательности аминокислот в полипептидной цепи (установление рамки). Как только мРНК присоединяется к комплексу, высвобождается белковый фактор IF-3 и оставшийся комплекс легко присоединяет 50S субчастицу, образуя транслирующую, т.е. функционально активную, 70S рибосому. В процессе этих перестроек рибосомы освобождают остальные белковые факторы инициации и продукты гидролиза ГТФ (ГДФ и неорганический фосфат), энергия которого расходуется, по-видимому, на формирование инициирующего 70S комплекса рибосомы. В этом комплексе формилметионил-тРНК оказывается прикрепленной к пептидилсвязывающему центру рибосомы. В гидролизе ГТФ принимает участие IF-2. У образовавшейся активной, полностью сформировавшейся 70S рибосомы, содержащей формилметио-нил-тРНК, оказывается свободным аминоацильный центр, который может реагировать с определенной аа-тРНК, соответствующей очередному кодону мРНК. С этого момента начинается II этап синтеза белка - элонгация.

Рис. 10. 50S субчастица рибосомы с двумя центрами связывания тРНК.

Элонгация трансляции. Процесс элонгации полипептидной цепи у Е. coli начинается с образования первой пептидной связи и непосредственно, точнее топографически, связан с большой субчастицей (50S) рибосомы, содержащей два центра для связывания тРНК: один из них называется аминоацильным (А), другой - пептидильным (П) (рис. 10).

В процессе элонгации у Е. coli также участвует три белковых фактора - элонгационные факторы трансляции, сокращенно обозначаемые Tu, Ts и G (см. табл. 14.1): EF-Tu (мол. масса 43000), EF-Ts (мол. масса 35000) и EF-G (мол. масса 80000). У эукариот также открыты три таких фактора, названных эукариотическими элонгационными факторами трансляции и обозначаемых соответственно eEF-1б (мол. масса 53000), eEF-1бв (мол. масса 30000) и eEF-2; почти все они получены в чистом виде, для ряда из них установлена первичная структура.

Процесс элонгации принято делить на 3 стадии: узнавание кодона и связывание аминоацил-тРНК, образование пептидной связи и транслокация. На I стадии в соответствии с природой кодона мРНК в свободный А-участок рибосомы доставляется аминоацил-тРНК при участии фактора элонгации Tu. Этот процесс требует затраты энергии и сопряжен с гидролизом ГТФ и образованием прочно связанного комплекса Тu-ГТФ. Образовавшийся комплекс подвергается диссоциации только в присутствии второго фактора элонгации Ts, при котором освободившийся фактор Tu может вновь, соединяясь с молекулой ГТФ, принять участие в доставке аа-тРНК в рибосому. Таким образом, в транслирующей 70S рибосоме в пептидильном центре располагается формилметионил-тРНК, а в А-центре - аминоацил-тРНК (первая аминокислота после метионина). С этого момента начинается II стадия элонгации - образование первой пептидной связи. Для этого в рибосоме осуществляется ферментативная реакция транспептидирования между формилметионил-тРНК в П-центре и новой аа-тРНК в А-центре. В процессе этой реакции остаток формилметионина переносится на свободную NH2-группу аа-тРНК и замыкается первая пептидная связь в будущей полипептидной цепи. Параллельно из пеп-тидильного центра освобождается тРНКфМет в цитозоль. Фермент, катализирующий реакцию транспептирования, получил название пептидил-трансферазы (рис. 11); он, вероятнее всего, является составной частью белков 50S субчастицы. Таким образом, в процессе транспептидазной реакции в А-центре образуется дипептидил-тРНК, а П-центр остается свободным («вакантным»).

На III стадии процесса элонгации необходимо иметь свободный амино-ацильный центр для присоединения следующей аа-тРНК. Для этого благодаря процессу транслокации образовавшийся фрагмент дипептидил-тРНК переносится от аминоацильного на пептидильный центр. Достигается транслокация благодаря передвижению рибосомы относительно мРНК при участии фермента транслоказы (функцию ее выполняет фактор элонгации G у Е. coli и eEF-2 у эукариот) за счет использования энергии распада еще одной молекулы ГТФ. В результате транслокации дипептидил-тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы, а аминоацильный центр освобождается для нового цикла узнавания и может присоединить новую следующую аа-тРНК, соответствующую кодону мРНК. В процессе транслокации рибосома перемещается вдоль мРНК по направлению к ее 3'-концу на расстояние в один кодон, т.е. точно на один триплет. На рис. 12 видно, что рибосома вступает в следующий цикл - происходит присоединение третьего аминокислотного остатка и т.д.

Рис. 11. Перенос фМет-тРНК между двумя центрами (П и А) на большой 50S субчастице рибосомы.

Таким образом, на стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в строгом соответствии с последовательностью триплетов (кодонов) в молекуле мРНК.

Существенным является выяснение вопроса о количестве энергии, необходимой для синтеза одной пептидной связи при биосинтезе белка. Как было отмечено, при активировании аминокислоты еще до стадии инициации, т.е. при формировании аа-тРНК, расходуется энергия распада АТФ на АМФ и пирофосфат, что приблизительно эквивалентно гидролизу 2 молекул АТФ до 2 молекул АДФ, поскольку пирофосфат подвергается распаду на 2 молекулы неорганического фосфата. Для включения амино-ацил-тРНК в аминоацильный центр используется энергия гидролиза молекулы ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат. Наконец, транслокация транслирующей 70S рибосомы также нуждается в энергии гидролиза еще одной молекулы ГТФ. Таким образом, энергетические потребности синтеза каждой пептидной связи эквивалентны энергии гидролиза 2 молекул АТФ и 2 молекул ГТФ (т.е. гидролиз четырех макроэргических фосфатных связей) до соответствующих нуклеозиддифосфатов. Легко представить, насколько велики энерготраты каждой клетки при синтезе не только одной молекулы белка, а множества молекул самых разнообразных белков в единицу времени.

Рис. 12. Процесс элонгации полипептидной цепи (схема).

Терминация трансляции. На IV стадии биосинтеза белка завершается синтез полипептидной цепи в 70S рибосоме при участии трех белковых факторов терминации (рилизинг-факторов). Эти белки обозначаются RF-1 (мол. масса 47000), RF-2 (мол. масса 35000-48000) и RF-3 (мол. масса 46000) у прокариот. В клетках животных открыт один-единственный белок с аналогичным свойством - рилизинг-фактор R (eRF, мол. масса 56000-105000). У Е. coli RF-1 наделен свойством узнавания в молекуле мРНК терминирующих кодонов УАГ и УАА, a RF-2 - соответственно УГА и УАА. Эукариотический рилизинг-фактор eRF узнает все три терминирующих кодона (нонсенс-кодоны) и индуцирует освобождение синтезированного полипептида опосредованно через пептидил-трансферазу. После того как терминирующий кодон мРНК занимает свое место в аминоацильном центре рибосомы, к нему присоединяется не тРНК, поскольку отсутствуют соответствующие антикодоны тРНК, узнающие этот терминальный сигнал, а один из белковых факторов терминации и блокируется далнейшая элонгация цепи. Считают, что терминирующие кодоны и белковые факторы индуцируют изменение специфичности пеп-тидилтрансферазной активности таким образом, что она катализирует перенос растущей пептидной цепи, скорее, к молекуле воды, вызывая гидролиз, чем к аминогруппе аминокислоты. Следствием этого являются отделение белковой молекулы от рибосомы и освобождение молекул тРНК и мРНК (последняя подвергается распаду до свободных рибонуклеотидов). Одновременно 70S рибосома диссоциирует на две субчастицы - 30S и 50S, которые поступают в свободный пул и могут вновь использоваться для реассоциации новой рибосомы. Схематически этот процесс представлен на рис. 13. ГТФ в терминации трансляции у Е. coli рассматривается в качестве аллостерического регулятора, а у эукариотов ГТФ, вероятнее всего, распадается на ГДФ и Pi.

Рис. 13. Процесс терминации синтеза белка (схема).

Рис. 14. Схематическое изображение роли разных типов РНК в синтезе белка (по Уотсону).

Рис. 15. Схематическое изображение организации бактериальной полирибосомы (полисомы) и движения рибосом вдоль мРНК.

В общей форме зависимость между репликацией ДНК, транскрипцией и трансляцией мРНК представлена на рис. 14. Видно, что одна матричная мРНК транслируется не одной рибосомой, а одновременно многими рибосомами, расположенными близко друг к другу. Подобные скопления рибосом на мРНК получили название полирибосом, или полисом (рис. 15). Они значительно повышают эффективность использования мРНК, т.е. ускоряют синтез белка.

Рибосомы движутся в направлении 5' -> 3' вдоль цепи мРНК, причем каждая рибосома работает самостоятельно, синтезируя отдельный белок. Полисома, таким образом, позволяет обеспечить высокую скорость трансляции единственной мРНК (см. рис. 15).

Список использованной литературы

1. В работе использованы изображения РНК-полимеразы, предоставленные Андреем Кульбачинским (Институт молекулярной генетики РАН).

2. Степт Г., Кэлиндар Р., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1981, с. 499-520;

3. Kornberg А., DNA replication, S. F., 1980;

4. Ogawa T, Oka-zaki Т., "Ann. Rev. Biochem.", 1980, v. 49, p. 421-57. П.Л. Иванов.