Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Молекулярная биология | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиА.С. Спирин. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции

Обзорные статьиА.С. Спирин. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции: (1)

Научные статьиБиологическая эволюция и морфогенез: Основные механизмы биологической эволюции и морфогенеза.

Обзорные статьиЛ.П. Овчинников. Что и как закодировано в мРНК

Обзорные статьиА.С. Спирин. Принципы функционирования рибосом

Обзорные статьиЛ.П. Овчинников. Что и как закодировано в мРНК: (1)

Научные статьиБиогенез: мотивы и феномены возникновения жизни

В начало...

Биосинтез белка: инициация трансляции. А. С. СПИРИН. Продолжение

МАЛАЯ РИБОСОМНАЯ СУБЧАСТИЦА СОПРОВОЖДАЕТСЯ СПЕЦИАЛЬНЫМИ БЕЛКАМИ - ФАКТОРАМИ ИНИЦИАЦИИ
Свободная малая субчастица рибосомы имеет сродство к уже упоминавшимся выше специальным белкам, называемым факторами инициации или IF (Initiation Factors). Таких белков у прокариот три, а у эукариот - целая дюжина, и обозначаются они как IF1, IF2, IF3 и т.д. Из них будут рассмотрены два главных фактора инициации, взаимодействующие с малой рибосомной субчастицей и сопровождающие ее в процессе инициации, - это белки IF2 и IF3 (при обозначении эукариотических факторов инициации часто используют префикс е - еIF2 и еIF3). Белок IF3 первым вступает в дело: именно он ввиду сильного сродства к свободной малой субчастице связывается с ней и выводит ее из равновесной реакции ассоциации с большой рибосомной субчастицей (рис. 2, шаг 1 ), поэтому этот белок иногда называют также фактором диссоциации.
Имеются все основания считать, что и другие факторы инициации, включая IF2, также садятся на свободную малую субчастицу, особенно после ее ассоциации с IF3, и далее сопровождают ее в ходе дальнейших событий инициации вплоть до присоединения большой субчастицы. Такие свободные субчастицы, нагруженные факторами инициации и не ассоциирующие в полные рибосомы, иногда называют нативными субчастицами (в отличие от "производных" субчастиц, получаемых в результате искусственной диссоциации полных рибосом, например при понижении концентрации ионов магния в растворе). Однако белку IF2 принадлежит особая роль: он хоть и может находиться на свободной малой субчастице, но главную функцию начинает выполнять лишь на последующих стадиях инициации, при взаимодействии с гуанозин-трифосфатом (ГТФ) и инициаторной аминоацил-тРНК.

МАЛАЯ РИБОСОМНАЯ СУБЧАСТИЦА ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С мРНК И ИНИЦИАТОРНОЙ тРНК
Дальнейшие события инициации могут разыгрываться в двух направлениях: либо нативная малая субчастица сначала садится на мРНК, а затем связывает инициаторную аминоацил-тРНК в комплексе с IF2 и ГТФ (рис. 2, шаги 2 и 3, левый путь), либо к малой субчастице сначала присоединяется инициаторная аминоацил-тРНК с IF2 и ГТФ, а затем этот комплекс ассоциирует с мРНК (рис. 2, шаги 2 и 3, правый путь). Считается, что оба пути могут сосуществовать в клетке или бесклеточной системе трансляции. В обоих случаях достигается один и тот же результат: образуется так называемый инициаторный комплекс, состоящий из малой рибосомной субчастицы, мРНК, инициаторной аминоацил-тРНК и инициаторных факторов.
Уже отмечалось, что взаимодействие рибосомной частицы с мРНК в прокариотах и эукариотах происходит по-разному. Вообще говоря, малая субчастица всегда обладает некоторым собственным сродством к любому матричному полинуклеотиду, может сесть на него и скользить вдоль него, а затем диссоциировать и снова лабильно реассоциировать. У прокариот малая рибосомная субчастица с факторами инициации имеет повышенное сродство к специальному внутреннему (неконцевому) участку мРНК, называемому инициаторным, или рибосомосвязывающим участком. Поэтому, когда субчастица путем "проб и ошибок" (за счет лабильной ассоциации, скольжения, диссоциации и реассоциации) оказывается в контакте с этим участком мРНК, она закрепляется там. Если рибосомная субчастица еще не была связана с инициаторной аминоацил-тРНК, то она на этом месте ждет ее прихода. Приход инициаторной аминоацил-тРНК в этом случае (рис. 2, шаг 3, левый путь) сопровождается взаимодействием инициаторного кодона, находящегося в данном рибосомосвязывающем участке мРНК, с антикодоном аминоацил-тРНК. Если реализуется альтернативный путь - рибосомная частица, уже несущая на себе инициаторную аминоацил-тРНК, связывается с инициаторным участком мРНК (рис. 2, шаг 3, правый путь), то антикодон инициаторной аминоацил-тРНК участвует в закреплении рибосомной частицы на данном участке за счет кодон-антикодонового взаимодействия. Таким образом, в обоих случаях малая рибосомная субчастица оказывается точно установленной на начале кодирующей последовательности мРНК.
У эукариот малая рибосомная субчастица с факторами инициации ("нативная" субчастица) имеет большое сродство к 5'-концевому участку мРНК и, как правило, ассоциирует с ним. Считается, что эукариотическая малая субчастица взаимодействует с инициаторной аминоацил-тРНК преимущественно до ассоциации с мРНК, то есть идет в основном по правому пути рис. 2. Связавшись с 5'-концом мРНК и неся на себе инициаторную аминоацил-тРНК и факторы инициации, малая рибосомная субчастица начинает двигаться от 5'-конца по направлению к 3'-концу (вниз по течению) и сканировать нуклеотидную последовательность мРНК, потребляя энергию АТФ. В АТФ-зависимом расплетании вторичной структуры мРНК и сканировании первичной структуры ей помогает специальный эукариотический фактор инициации eIF4, обладающий АТФазной и хеликазной (спиралерасплетающей) активностью. Когда сканирующая рибосомная частица встречается с инициаторным кодоном, антикодон инициаторной аминоацил-тРНК взаимодействует с ним, и сканирование прекращается: рибосомная частица нашла начало кодирующей последовательности мРНК.
В качестве инициирующего кодона в большинстве случаев выступает триплет AUG; у эукариот он практически единственный инициаторный кодон, а у прокариот 90% всех кодирующих последовательностей начинаются с него. Однако некоторая часть прокариотических мРНК инициирует трансляцию на других триплетах - GUG, реже UUG и совсем редко на некоторых других. Очевидно, что у прокариот способность некоторых триплетов быть инициирующими определяется их положением в инициаторном, или рибосомосвязывающем участке мРНК. Эти же триплеты, когда они встречаются в кодирующей последовательности в ходе элонгации, кодируют ту или иную аминокислоту: AUG - метионин, GUG - валин, UUG - лейцин.
Инициаторная аминоацил-тРНК всегда метионил-тРНК, как у прокариот, так и у эукариот. Однако у прокариот, как уже отмечалось, ее аминогруппа блокирована формильным остатком, так что она представляет собой формил-метионил-тРНК. Ее антикодон всегда CAU, так что он полностью комплементарен кодону AUG и частично комплементарен другим возможным инициаторным кодонам прокариот (например, GUG и UUG):

Структура остатка тРНК молекулы инициаторной метионил-тРНК несколько отличается от структур других - элонгаторных тРНК, в том числе и от структуры элонгаторной метионил-тРНК, что и делает ее функцию в качестве инициатора трансляции уникальной. Особенности структуры инициаторной метионил-тРНК обеспечивают ее специфическое комплексирование с белком IF2 при наличии ГТФ (ГТФ, присоединяясь к белку, наводит сродство белка к инициаторной метионил-тРНК). Универсальность инициации с участием инициаторной метионил-тРНК приводит к тому, что всегда и везде любая полипептидная цепь, синтезируемая на рибосоме, начинается с метионина. Лишь потом, в ходе трансляции или после нее, этот концевой метионин может отщепиться специальной протеазой, что и происходит в большинстве случаев.

БОЛЬШАЯ РИБОСОМНАЯ СУБЧАСТИЦА ЗАВЕРШАЕТ ИНИЦИАЦИЮ
Итак, по завершении трех описанных выше шагов процесса инициации (рис. 2, шаги 1-3 ) малая рибосомная субчастица оказывается сидящей на инициирующем кодоне - стартовом триплете кодирующей последовательности мРНК со связанной инициаторной метионил-тРНК, своим антикодоном взаимодействующей с инициирующим кодоном, и с набором факторов инициации; при этом фактор инициации IF2 несет на себе нерасщепленную молекулу ГТФ и взаимодействует с инициаторной метионил-тРНК. На этом этапе в процесс включается свободная большая рибосомная субчастица (рис. 2, шаг 4 ). Она, ассоциируя с малой субчастицей и взаимодействуя со связанным IF2, наводит ГТФазную активность на IF2, в результате чего ГТФ гидролизуется на ГДФ и ортофосфат, сродство IF2 к инициаторной метионил-тРНК теряется и IF2 с ГДФ легко вытесняются из рибосомы. При этом инициаторная метионил-тРНК после ухода IF2 оказывается в Р-участке рибосомы. Большая субчастица при ассоциации с малой субчастицей вытесняет и все другие факторы инициации, включая IF3. В итоге образуется полная 70S (у прокариот) или 80S (у эукариот) рибосома с Р-участком, занятым инициаторной метионил-тРНК, и с вакантным А-участком.
За этим завершающим шагом процесса инициации начинаются образование и элонгация пептида: вакантный А-участок принимает первую элонгаторную аминоацил-тРНК в комплексе с фактором элонгации EF1 и ГТФ, после чего ГТФ гидролизуется, EF1 с ГДФ уходят из рибосомы, а элонгаторная аминоацил-тРНК, связанная в А-участке, остается бок о бок с инициаторной метионил-тРНК, связанной в Р-участке (рис. 2, шаг 5 ). В результате аминоацил-тРНК получает возможность реагировать с инициаторной метионил-тРНК в реакции транспептидации, катализируемой большой субчастицей рибосомы (см. [1]):

Так образуется первая пептидная связь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из последовательности событий, описанной в предыдущих разделах и на рис. 2, видно, что все операции с мРНК в ходе инициации трансляции осуществляет малая субчастица рибосомы, а большая субчастица присоединяется к ней фактически только на стадии подготовки образования первой пептидной связи. Это находится в полном соответствии с принципом "разделения труда" между малой и большой субчастицами рибосомы: малая субчастица ответственна за генетические (декодирующие) функции, а большая - за биохимические (энзиматические).
Конкретные генетические функции малой рибосомной субчастицы в ходе инициации трансляции могут быть разделены на три группы процессов или операций с генетическим материалом - мРНК. Во-первых, малая рибосомная субчастица, связывая мРНК, служит первичным приемником генетической информации для белоксинтезирующего аппарата. Во-вторых, она с участием факторов инициации осуществляет распознавание инициаторного участка на мРНК либо путем непосредственного узнавания его структуры и присоединения (у прокариот), либо путем сканирования цепи мРНК (у эукариот). И в-третьих, малая рибосомная субчастица обеспечивает кодон-антикодоновое взаимодействие инициаторного кодона мРНК с антикодоном инициаторной тРНК. Как видно, выполнение этих функций охватывает большую часть событий в ходе инициации трансляции, следовательно, малая рибосомная субчастица является главным "действующим лицом" всего сценария инициации.
Большая рибосомная субчастица включается в процесс на завершающем этапе процесса инициации и в соответствии с указанным выше "разделением труда" исполняет биохимическую часть функций. Она индуцирует гидролиз ГТФ на факторе инициации IF2, вытесняет все факторы инициации с малой рибосомной субчастицы, надлежащим образом устанавливает субстраты - инициаторную метионил-тРНК и связывающуюся с А-участком аминоацил-тРНК - в своем пептидилтрансферазном центре и, наконец, катализирует реакцию транспептидации между субстратами.

Рис. 3. Схема, демонстрирующая участие двух рибосомных субчастиц - малой (желтая) и большой (красная) - в процессе инициации трансляции. А и Р - два участка связывания тРНК. Цифрами обозначены соответствующие факторы инициации (IF2, IF3). Инициаторная тРНК изображена в виде зеленой фигуры с кружком (метионином) на акцепторном конце, мРНК показана синей линией

Последовательность событий инициации, разыгрывающихся сначала только на малой рибосомной субчастице, а затем в полной рибосоме с участием большой рибосомной субчастицы, схематически представлена на рис. 3. Следует еще раз указать на два важных момента. Здесь последовательность событий дана в соответствии с левым путем рис. 2: сначала малая субчастица связывает мРНК, а затем инициаторную метионил-тРНК. Это классическая последовательность событий для прокариот. Однако инициаторная метионил-тРНК может также связываться с малой субчастицей до связывания мРНК в соответствии с правым путем на рис. 2. У эукариот реализуется, по-видимому, в основном правый путь. Второй момент - это свойственное эукариотам сканирование мРНК малой рибосомной субчастицей, сопровождающееся расплетанием спиралей мРНК и гидролизом АТФ, на стадии, непосредственно предшествующей присоединению большой рибосомной субчастицы.

ЛИТЕРАТУРА
1. Спирин А.С. Принципы функционирования рибосом // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. N 4. С. 2-9.
2. Спирин А.С. Принципы структуры рибосом // Там же. 1998. N 11. С. 65-70.
3. Спирин А. С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка. М.: Высш. шк., 1986. 300 с.
4. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978. 700 с.
* * *
Александр Сергеевич Спирин, доктор биологических наук, профессор и зав. кафедрой молекулярной биологии МГУ, директор Института белка РАН, действительный член РАН и член Президиума РАН, действительный член РАЕН, Российской академии биотехнологии и многих международных и зарубежных академий и организаций. Область научных исследований - структура и функция белоксинтезирующего аппарата, регуляция биосинтеза белков, бесклеточные системы биосинтеза белков, котрансляционное сворачивание белков. Автор одного из томов ("Структура рибосомы и биосинтез белка") трехтомного учебника для вузов "Молекулярная биология", монографии "Рибосома" (два издания) на русском языке и трех монографий, изданных в США и Германии на английском языке, переведенных также на другие языки. Автор около 300 публикаций в российских и международных журналах.



Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования