Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции
А. С. СПИРИН
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ
Трансляция одной кодирующей последовательности мРНК с производством одной завершенной полипептидной цепи включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Это так называемый эпицикл трансляции (см. статью "Принципы функционирования рибосом": Соросовский Образовательный Журнал. 1999. N 4. Рис. 1). Инициация трансляции была рассмотрена в статье "Биосинтез белка: инициация трансляции" (Соросовский Образовательный Журнал. 1999. N 5). Здесь будут описаны основные принципы, которые лежат в основе двух последующих стадий трансляции: элонгации и терминации.
Элонгация - это и есть собственно трансляция кодирующей последовательности мРНК рибосомой. Она имеет два аспекта: генетический (сканирование значащих кодонов мРНК) и биохимический (синтез полипептидной цепи). Когда сканирующая рибосома в процессе элонгации встречает так называемый незначащий триплет (то есть триплет нуклеотидов, не кодирующий никакой аминокислоты), то происходит терминация трансляции: синтез полипептида прекращается и он освобождается из рибосомы.

ПОЛЯРНОЕ ПОТРИПЛЕТНОЕ ДВИЖЕНИЕ РИБОСОМЫ ВДОЛЬ ЦЕПИ мРНК
После того как произошла инициация трансляции, рибосома осуществляет прочный комплементарный контакт связанных с ней молекул аминоацил-тРНК - инициаторной метионил-тРНК в Р-участке рибосомы и первой "элонгаторной" аминоацил-тРНК в А-участке - с двумя смежными триплетами (кодонами) мРНК (рис. 1, а ).

Рис. 1. Элонгация пептида на рибосоме: а - инициаторная аминоацил-тРНК (Met-tRNAi) находится в Р-участке, и первая элонгаторная аминоацил-тРНК (в данном случае Val-tRNAVal , соответствующая следующему кодону GUG), приходит в А-участок; б - транспептидация приводит к переносу аминокислотного остатка (Met) от инициаторной тРНК на аминоацил-тРНК в А-участке: образуется дипептидил-тРНК (MetVal-tRNAVal); в - транслокация перемещает тРНК из А-участка в Р-участок, и эта тРНК увлекает за собой связанный с ней (комплементарный) кодон мРНК. Таким образом, мРНК оказывается сдвинутой относительно рибосомы на один триплет нуклеотидов, и в А-участке устанавливается очередной кодон (CUG); г - аминоацил-тРНК, комплементарная этому кодону (Leu-tRNALeu), связывается с А-участком; д - транспептидация переносит дипептид на аминоацил-тРНК в А-участке: образуется трипептидил-тРНК (MetValLeu-tRNALeu); е - транслокация перемещает тРНК из А-участка в Р-участок, что приводит к сдвигу мРНК еще на один триплет. В А-участке устанавливается новый кодон (UCU). Далее процесс продолжается по описанной выше схеме (г' д' е')

Далее события происходят аналогичным образом: 1) аминоацил-тРНК, соответствующая (комплементарная) вновь установленному в А-участке кодону, связывается из окружающей рибосому среды с этим кодоном в А-участке (рис. 1, г ); 2) дипептидил-тРНК в Р-участке реагирует с новоявленной аминоацил-тРНК в А-участке путем транспептидации, что приводит к образованию трипептидил-тРНК в А-участке (рис. 1, д ), и 3) транслокация перебрасывает остаток тРНК молекулы трипептидил-тРНК из А-участка в Р-участок вместе со связанным с ней триплетом мРНК (рис. 1, е ) (см. также рис. 2 в статье "Принципы функционирования рибосом"). За этим следует аналогичный ряд событий (1-3), начинающийся с комплементарного связывания очередной аминоацил-тРНК с новым кодоном в А-участке.
Таким образом, благодаря триплет-триплетному связыванию (кодон-антикодоновому взаимодействию) между мРНК и тРНК в рибосоме, транслокация тРНК каждый раз приводит к протягиванию цепи мРНК относительно рибосомы ровно на три нуклеотида. Так как рибосома асимметрична и транслокация перемещает тРНК только однонаправленно из А-участка в Р-участок, потриплетное перемещение цепи мРНК оказывается тоже строго полярным, однонаправленным. В процессе трансляции (элонгации) оно может происходить только в направлении от 5'- к 3'-концу цепи.
В целом получается, что при трансляции (элонгации) рибосома работает как лентопротяжный механизм, перемещая с помощью тРНК цепь мРНК относительно себя с шагом по три нуклеотида. Важно отметить, что в процессе этого перемещения рибосома расплетает все попадающиеся на ее пути двуспиральные участки и более сложные элементы вторичной и третичной структуры мРНК.
У прокариотических организмов (бактерий), где ДНК не отделена мембраной от цитоплазмы и присутствующих там рибосом, последние начинают трансляцию на цепях мРНК, еще находящихся в стадии роста на комплексах ДНК с РНК-полимеразами (рис. 2).

Рис. 2. Сопряженная транскрипция-трансляция у прокариот

Другими словами, молекулы РНК-полимеразы ползут по ДНК и синтезируют цепи мРНК, начиная от 5'-конца РНК в направлении к 3'-концу, а рибосомы присоединяются к свешивающимся с полимераз 5'-концевым участкам, инициируют трансляцию и двигаются в процессе элонгации по направлению к молекуле полимеразы. Это явление получило название сопряженной транскрипции-трансляции. Интересно, что в бактериальных клетках скорость синтеза РНК (транскрипции) - около 30-45 нуклеотидов в секунду при 37?С - строго координирована со скоростью трансляции - около 10-15 триплетов в секунду, так что один триплет нуклеотидов синтезируется приблизительно за то же время, за которое он прочитывается и образуется одна пептидная связь. Таким образом, сопряжение транскрипции и трансляции у прокариот осуществляется как в пространстве (комплекс ДНК : РНК-полимераза: мРНК), так и во времени (координация скоростей транскрипции и трансляции).
У эукариот сопряжение транскрипции и трансляции невозможно. Во-первых, ДНК (хромосомы) эукариот отделены от цитоплазмы, содержащей рибосомы, ядерной мембраной. Эукариотическая мРНК синтезируется полностью в клеточном ядре, а лишь затем транспортируется из ядра в цитоплазму, где и встречается с рибосомами (см. статью "Принципы структуры рибосом": Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 11. Рис. 1). Во-вторых, для инициации трансляции мРНК эукариотическими рибосомами требуется не только 5'-концевая часть мРНК, но и готовая 3'-концевая часть, являющаяся "усилителем" инициации (см. статью Л.П. Овчинникова "Что и как закодировано в мРНК": Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 4). В отличие от бактерий скорость элонгации у эукариот варьирует в широких пределах, обычно от 1 до 10 триплетов в секунду, в зависимости от типа клеток, их физиологического состояния и природы транслируемой мРНК, будучи регулируема с помощью каких-то пока неизвестных клеточных механизмов.

Далее...