Внешний вид молекулы тРНК очень своеобразен. Она как бы сложена пополам и вдобавок несколько скручена. Поэтому в некоторых участках происходит спаривание комплементарных оснований с образованием двухспиральной структуры. Между ними остаются петли одиночной цепи. В целом получается подобие «стебля», согнутого в верхней части в форме буквы Г. Как показано на рис. 2-22, горизонтальную часть этой «буквы» образуют оба конца полинуклеотидной цепи молекулы тРНК. При этом 5'-конец короче, чем выступающий З'-конеп, последние звенья которого всегда представлены стандартным триплетом -ЦЦА. К его завершающему (адениловому) звену и присоединяется активированная форма аминокислоты (как это описано выше).
Петля, наиболее удаленная от обоих концов молекулы тРНК, содержит триплет, специфический для каждой тРНК. Его обозначают общим термином антикодон (рис. 2-22), т.к. он комплементарен тому кодону, который соответствует аминокислоте, переносимой молекулами данной тРНК.
Если распознавание «своей» аминокислоты молекула тРНК осуществляет с участием специальной аминоацил-тРНК-синтетазы, то соответствующий кодон она узнает вполне самостоятельно, имея в своей структуре антикодон. Благодаря такому сочетанию, молекула тРНК способна говорить на аминокислотном «языке» белковых молекул (с помощью ами- ноацил-тРНК-синтетазы) и, вместе с тем, точно «понимает» указания генетического кода, безошибочно объединяя оба информационных потока. Эту функцию «переводчика» принято называть адапторной ролью молекул тРНК.
Рис. 2-22. Схематическое изображение структуры молекул тРНК.
МЕХАНИЗМ ТРАНСЛЯЦИИ
Рибосомы не просто являются тем местом, где происходит белковый синтез, но и вносят важный вклад в его осуществление. В частности, они содержат специальные центры связывания, предназначенные для точной взаимной ориентации молекул мРНК, аминоапил-тРНК и точки роста созидаемой белковой цепи. Один из них (А-участок) фиксирует молекулу ами- ноацил-тРНК в таком положении, чтобы стало возможным возникновение водородных связей между ее антикодоном и очередным кодоном молекулы мРНК, расположенной рядом. Другой центр связывания - пептидилъный (П-учас- ток) - «держит» аналогичным образом молекулу пептидил-тРНК, т.е., такую тРНК, аминокислота которой соединена с уже построенным фрагментом будущего белка.
Наиболее ответственным моментом трансляции является точное узнавание самого первого кодоиа (соответствующего Ы-коицевой аминокислоте будущего белка). Только от безошибочности этого узнавания зависит правильность установки рамки считывания и, следовательно, строгое соответствие строящегося белка структуре зрелой мРНК. Между тем, оба конца мРНК имеют нетранслируемые участки. Более того, в генетическом коде нет специального триплета, который отмечал бы начало трансляции. Выяснилось, что стартовой точкой трансляции является АУГ, - единственный кодон для обозначения метионина. Значит, синтез любой полипептидной цепи начинается с метионина (у эукариот). Чтобы отличить его от других молекул метионина, встраиваемых в белок, клетки «обзавелись» двумя совершенно разными тРНК, обладающими антикодоиом для метионина (ЦАУ. если читать в антипараллель- ном кодону направлении 5'—>3'). Лишь одну из них распознает специальный белок — инища- торный фактор 2 (ИФ-2), и только в комплексе с ним молекулу инициаторной мегтюмш-тРНК способен принять свободный П-участок (когда в нем окажется кодон АУГ), при условии, однако, незагруженное™ и А-участка (другая из метио- ниновых тРНК пригодна только для свободного А-участка, даже если П-участок тоже свободен).
Соединению инициаторной метионил- тРНК с рибосомой предшествует фиксация мРНК на малой субчастице рибосомы, реализуемая благодаря группе специальных белков (включая кэп-связывающие). Они образуют комплекс, который обеспечивает правильное положение 5'-конца молекулы мРНК на малой субчастице и способствует связыванию инициаторной метионил-тРНК (вместе с ИФ-2) этой органеллой (рис. 2-23, А). В результате малая субчастица, объединенная с метионил- тРНК, получает возможность продвигаться вдоль мРНК к ее 3-концу. Перемещение происходит с помощью АТФ-зависимого механизма и продолжается до встречи с первым же кодоном АУГ. Связывание с ним антикодона инициаторной метионил-тРНК служит сигналом к объединению малой субчастицы рибосомы с большой (одновременно с вытеснением в цитоплазму ИФ-3, ИФ-2 и других белков, выполнивших свою роль). Так завершается инициация трансляции — сборка рибосомы, еоеди-
Рис. 2-23. Инициация трансляции [А - фиксация мРНК и инициаторной метионил-тРНК на малой субчастице рибосомы с участием кэп-связывающих белков и других инициаторных факторов (ИФ);
Б - полная сборка рибосомы на инициаторном комплексе у первого кодона АУГ]-
ценной с мРНК и несущей инициаторную ме- тионил-тРНК на своем П-участке (рис. 2-23, Б).
Следующая фаза трансляции - образование пептидных связей между аминокислотами, доставляемыми в составе тРНК. Иными словами, происходит ступенчатое удлинение синтезируемой полипептидной цепи (элонгация). В начале процесса свободный А-участок рибосомы занимает молекула той аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону в зоне этого участка (в примере на рис. 2-24,1 здесь находится аланил-тРНК). Теперь очередь за пептидилтрансферазой, которая является компонентом большой субчастицы. Она разрывает сложноэфирную связь аминокислоты с т-РНК в пептидильном участке и переносит «изъятый» аминоаципьный фрагмент (в данном случае - метионильный) на А-участок. И не просто переносит, а присоединяет его к «-аминогруппе находящейся здесь молекулы ами- ноацил-тРНК, превращая ее в дипептидил- тРНК (на рис. 2-24,11 — в метионил-аланил- тРНК). После этого специальный белок - трапслоказа - производит перемещение рибосомы на один кодон вдоль цепи мРНК (в направлении 5'—>3'). Это не нарушает связи кодона мРНК с антикодоном молекулы дипепти- дил-тРНК, которая поэтому оказывается уже в зоне П-участка (вытесняя отсюда тРНК, оставшуюся от инициаторной метионил-тРНК). В примере на рис. 2-24,III это отражено переходом метионил-аланил-тРНК из А-участка в пептидильный центр рибосомы. Благодаря этому в зоне освободившегося А-участка оказывается очередной кодон, готовый принять новую аминоацил-тРНК (на рис. 2-24,IV таковым является кодон серина - УЦА).
Следующий раунд элонгации сводится к повторению таких же актов: фиксация молекулы очередной аминоацил-тРНК на А-участке; превращение ее в трипептидил-тРНК за счет переноса дипептидильного фрагмента из П-участка; смещение трипептидил-тРНК в П-участок с освобождением А-участка для следующего кодона и соответствующей ему ами- ноацил-тРНК. Аналогично трипептид превращается затем в тетра-, пента-, гексапептид и так далее, вплоть до полного синтеза полимера, отвечающего структуре зрелой мРНК. В приведенном на рис. 2-24 примере третье, четвертое и пятое место от начала цепи должны занять серин, аргинин и валин (в соответствии с обозначенными на рисунке кодонами).
В чередовании перечисленных актов участвуют не только структурные компоненты рибосом, но и специальные белки цитоплазмы. Из них наиболее изучены факторы элонгации (ЭФ). Они являются регуляторными молекулами из семейства О-протеинов. Как уже отмечалось (раздел 2.2.3), так обозначают белки, способные в ассоциации с ГТФ объединяться с бел- ками-мишенями, активируя их (или блокируя). При этом в-протеины и сами претерпевают конформационную перестройку, усиливающую их способность расщеплять ГТФ до ГДФ и фосфата. Так реализуется таймерная функция в-протеинов: в ассоциации с ГДФ они выходят из комплекса с белками-мишенями, которые из- за этого возвращаются в исходное состояние (а факторы элонгации освобождаются в цитоплазме от ГДФ и могут вновь соединяться с ГТФ).
Один из факторов элонгации (ЭФ-1), связавшись с ГТФ, образует комплекс с молекулой аминоацил-тРНК, помогая ей соединиться с рибосомой и расположиться на соответствующем кодоне. Когда фиксация в А-участке свершится, ЭФ-1 гидролизует «свою» молекулу ГТФ и с оставшимся ГДФ покидает рибосому. Только тогда становится возможным перенос пептидильного остатка и образование новой пептидной связи.
Другой фактор - ЭФ-2 - содействует акту транслокации. В ассоциации с ГТФ он необходим при перемещении удлинившейся молекулы пептидил-тРНК (вместе с удерживаемым ею кодоном) из А-участка в пептидильный центр. После этого ЭФ-2 расщепляет молекулу ГТФ и в связанном с ГДФ виде тоже покидает рибосому. Таким образом, оба фактора элонгации не могут одновременно фиксироваться на рибосоме. Выполняя свою таймерную роль, они соединяются с нею только попеременно, чередуя тем самым акты транслокации и связывания следующей молекулы аминоацил-тРНК.
Если суммировать затраты АТФ на образование молекулы аминоацил-тРНК и расход 2 молекул ГТФ в рибосомах, то становится ясным, что энергоемкость процесса образования одной пептидной связи эквивалентна гидролизу 4 макроэргических связей.
Процесс наращивания белковой молекулы (и продвижения рибосомы вдоль мРНК) продолжается до тех пор, пока в районе А-участка не окажется один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). Для них нет подходящего антикодона в молекулах существующих тРНК. Из-за незаполненности А-участка происходит остановка синтеза полипептидной цепи. Кроме того, возникшая на нем «пустота» служит сигналом для привлечения особого цитоплазматического белка - фактора освобождения (фактор терминации трансляции). Связываясь с пепти- дилтрансферазой, этот белок «побуждает» ее гидролизовать эфирную связь между концевой группой -СООН полипептидной цепи и 3'"КОНЦОМ молекулы тРНК, доставившей к рибосоме последнюю аминокислоту построенного полимера. Рибосома отделяется от мРНК (и тРНК). после чего диссоциирует на свои субчастицы (раздельное их существование поддерживается фиксацией ИФ-3 на малой субчастице).
Таким образом, все рибосомы функционируют однотипно. Каждая из них является универсальной машиной для синтеза любого белка, - в зависимости от строения используемой мРНК. Нередко еще задолго до завершения элонгации на освободившемся 5'-конце молекулы мРНК снова образуется инициаторный комплекс. В результате на одной мРНК оказывается две рибосомы, продвигающиеся на некотором расстоянии друг от друга. Вторая из них тоже синтезирует полипептидную цепь, - независимо от первой и с небольшим отставанием от нее. В зависимости от длины мРНК, на ней может находиться до десятка рибосом. Такой комплекс обозначают термином полисома. Этот механизм призван обеспечить интенсификацию белкового синтеза на молекуле мРНК.
Молекулы конкретного белка нередко называют генным продуктом. Их появление (наработка) является свидетельством экспрессии гена, содержащего информацию о структуре данного белка. В этом смысле говорят о высоком (или низком) уровне проявления гена (либо вовсе об отсутствии экспрессии). Если ген экспрессируется — значит, успешно протекают все этапы биосинтеза соответствующего белка, от трвнскрипции до выхода полипептида из рибосом. Обычно бывает и постсинтетическая доработка белка.
