То, что обычно подразумевается под синтезом белка, происходит на стадии трансляции. Трансляция протекает на рибосомах при непосредственном участии иРНК, тРНК, трансляционных факторов, молекул АТФ.
Но, прежде чем говорить о трансляции, давайте рассмотрим строение рибосомы.
Строение рибосомы
Рибосомы имеются во всех клетках, и состоят они из двух субъединиц: большой и малой. Каждая субъединица состоит из нескольких рибосомных РНК (рРНК) и белков.
Рибосомы эукариот и прокариот отличаются друг от друга размерами. Вес рибосомы прокариот составляет 70S (S - это коэффициент седиментации, который, если говорить вкратце, отражает массу структуры). Такой же вес имеют рибосомы эукариот, которые находятся в митохондриях и пластидах. Рибосомы из цитоплазмы эукариот, или связанные с мембранами эндоплазматического ретикулума, имеют вес 80S.
Большая субъединица рибосом эукариот весит 60S, а прокариот — 50S, в то время как их малые субъединицы — 40 и 30S соответственно.
Принципиальных отличий в функционировании рибосом эукариот и прокариот нет. У рибосомы имеются 3 ферментативных центра (их называют сайтами: A-, P- и Е-сайты.
А (aminoacyl) - существует для связывания тРНК, которая несет на себе аминокислоту.
P (peptidyl) - там находится тРНК, на которой размещена растущая цепочка полипептида.
Е (exit) - тРНК, очутившись в этом сайте, выходит из рибосомы. Эта тРНК уже не несет на себе аминокислот.
Таким образом, единственная функция рибосомы - осуществление трансляции, то есть синтез белка. И никакая другая структура, кроме рибосомы, не способна синтезировать белок.
А теперь давайте поговорим про другого участника синтеза белка – транспортную РНК (тРНК).
Строение транспортной РНК
тРНК представляет собой полирибонуклеотидную цепочку, которая, как и полагается для нуклеиновых кислот, имеет 5'- и 3'-концы. Обычно про нее говорят, что "по форме она напоминает клеверный листок". На самом деле форма клеверного листа (на рисунке ниже) – это лишь вторичная структура тРНК, а в цитоплазме находятся тРНК в третичной структуре.
Обратите внимание на антикодоновую петлю (петля 2 на рисунке). "Ножка" этой петли состоит из нуклеотидов, которые комплементарны друг другу. Данная последовательность называется палиндромной.
В задачах на синтез белка присутствуют такие задания, где требуется изобразить вторичную структуру антикодоновой петли, указав при этом палиндромные последовательности. Но их мы разберем в своё время.
Присоединение аминокислоты к тРНК является ферментативным процессом (аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует присоединение аминокислоты к 3'-концу тРНК), для которого требуется потратить энергию АТФ.
Взаимодействие кодона и антикодона
Данное взаимодействие является ключевым при "перекодировании" информации с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот. Обратите внимание, что рибосома, когда считывает информацию с иРНК, продвигается вдоль иРНК от 5'- к 3'-концу. Антикодоны тРНК имеют направленность 3'—5'. То есть здесь опять же соблюдаются правила комплементарности и антипараллельности, которые мы обсуждали в предыдущей статье.
И теперь давайте с вами обсудим то, как рибосома синтезирует белок.
Рабочий цикл рибосомы
Состояние I: пептидил-тРНК занимает Р-участок рибосомы
Шаг 1 (связывание – decoding): рибосома может связывать молекулу аминоацил-тРНК, соответствующую кодону, установленному на данный момент в А-участке рибосомы
Состояние II: в результате удерживаемая рибосомой пептидил-тРНК и вновь связанная аминоацил-тРНК оказываются в рибосоме бок о бок/
Шаг 2 (транспептидация – peptidyl transfer): Рибосома (ее пептидилтрансферазный центр на большой субъединице) катализирует реакцию транспептидации между этими двумя субстратами рибосомы — пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК: пептидильный остаток переносится от «своей» тРНК на аминогруппу аминоацил-тРНК, тем самым удлиняясь на одну аминокислоту на С-конце
Состояние III: В Р-участке осталась деацилированная тРНК, а в А-участке помещается остаток тРНК удлиненной пептидил-тРНК
Шаг 3 (транслокация – translocation): Деацилированная тРНК выталкивается из Р-участка, а пептидил-тРНК (ее остаток тРНК) перемещается вместе со связанным с ней кодоном мРНК из А-участка в Р-участок . В итоге А-участок освобождается, и в нем устанавливается следующий кодон мРНК. Цикл завершился. Повторение таких циклов по числу кодонов мРНК создает полный процесс элонгации. Следует отметить, что шаг 1 (связывание аминоацил-тРНК) катализируется белком — фактором элонгации EF1 — с участием ГТФ, а шаг 3 (транслокация) - фактором элонгации EF2 - тоже с участием ГТФ. В ходе катализа ГТФ расщепляется (гидролизуется) до ГДФ и ортофосфата.
Это краткое описание процесса трансляции. В следующих статьях мы с вами обсудим, каким образом можно все эти теоретические сведения применять для решения задач по молекулярной биологии
Список статьей по данной теме:
1. Какие молекулы являются основными участниками процесса (ДНК, РНК, белки)
2. Основные принципы матричного синтеза (комплементарность и антипараллельность)