В начало...

Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции. А. С. СПИРИН. Продолжение

ПОЛЯРНЫЙ РОСТ И СВОРАЧИВАНИЕ РАСТУЩЕЙ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ
Согласно описанной выше картине (рис. 1), каждый раз вслед за связыванием аминоацил-тРНК с А-участком рибосомы происходит реакция транспептидации между этой аминоацил-тРНК (акцепторный субстрат) и сидящей в Р-участке молекулой пептидил-тРНК (донорный субстрат). Реакция приводит к замещению остатка тРНК в молекуле пептидил-тРНК на остаток аминоацил-тРНК, так что аминогруппа аминоацил-тРНК образует пептидную связь с карбоксильной группой пептидильного остатка (подробнее см. статью "Принципы функционирования рибосом", рис. 2 и 3):

Рис. 3. Котрансляционное сворачивание растущей цепи глобина на рибосоме: а - формирование начальных спиральных участков в растущей полипептидной цепи до момента связывания гема; б - формирование спиралей E и F, связывание гема между ними и складывание цепи в третичную структуру; в - дальнейший рост цепи и завершение формирования вторичной и третичной структуры глобина на рибосоме

Итак, точкой роста пептида в рибосоме является его С-конец и, следовательно, в течение роста пептида его N-конец все более отодвигается от точки роста, то есть от пептидилтрансферазного центра рибосомы. Довольно скоро N-концевой сегмент растущего пептида высовывается из рибосомы в окружающую ее среду. Показано, что рибосома может вмещать не более чем 10-30 аминокислотных остатков растущего полипептида, считая от его С-конца или пептидилтрансферазного центра. Как правило, полные полипептидные цепи синтезируемых рибосомой белков состоят из 100-300 и более аминокислотных остатков. Это значит, что через какое-то время после начала трансляции N-концевая часть растущего полипептида оказывается вне рибосомы и затем по мере роста полипептида все большая часть его свешивается с рибосомы в среду.
Естественно, поскольку рибосому окружает физиологическая среда, а не денатурирующий раствор, полипептидная цепочка в такой среде не может оставаться в виде развернутой цепи: ее гидрофобные боковые группы взаимодействуют друг с другом, а гидрофильные - с окружающей водой и ионами. Это создает условия для сворачивания, компактизации и самоорганизации внерибосомной части растущего полипептида в пространственную (вторичную и третичную) структуру. Следовательно, сворачивание полипептида в компактную структуру происходит по мере его роста, то есть в течение трансляции, а значит, тоже полярно, от N-конца к С-концу. Такое постепенное полярное сворачивание растущей полипептидной цепи на рибосоме обозначается как котрансляционное формирование структуры белка (котрансляционное сворачивание). Рис. 3 иллюстрирует это на примере котрансляционного формирования глобулярной структуры глобина - субъединицы гемоглобина, кислородпереносящего белка крови.
В некоторых случаях белок, синтезируемый рибосомой, не предназначен для немедленного использования в клеточной цитоплазме, а должен быть сначала транспортирован через мембрану либо вне клетки, либо в одну из внутриклеточных органелл (например, в митохондрию или хлоропласт). Транспорт белков через мембрану требует несвернутого состояния их полипептидной цепи. В таких случаях используются две альтернативные стратегии: 1) рибосомы, синтезирующие белок, предназначенный для транспорта через мембрану, сами сидят на мембране (мембраносвязанные рибосомы), и растущий полипептид в развернутом виде поступает из них непосредственно в мембрану; 2) свободные (не прикрепленные к мембране) рибосомы цитоплазмы синтезируют полипептидную цепь, которая по мере выхода из рибосомы взаимодействует со специальными белками - молекулярными шаперонами. Шапероны препятствуют полному сворачиванию белка в компактную структуру и поддерживают его недосвернутое состояние в растворе. После освобождения из рибосомы эти недосвернутые белки взаимодействуют с мембраной и транспортируются через нее. Поддержание недосвернутого состояния белков шаперонами может требоваться также и для интеграции этих белков в надмолекулярные структуры клетки, для сборки четвертичных структур сложных белков, для вступления в комплексы с некоторыми лигандами и т.п. В этих случаях белки досворачиваются уже в составе указанных структур и комплексов.

ТЕРМИНАЦИЯ: ОСВОБОЖДЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА И ДИССОЦИАЦИЯ РИБОСОМЫ
Сканируя цепь мРНК по триплетам и соответственно удлиняя полипептидную цепь, транслирующая рибосома доходит до конца кодирующей последовательности и встречается с одним из трех триплетов, не кодирующих аминокислоты и обозначаемых как стоп-кодоны, или кодоны терминации - UAG, UAA или UGA (раньше их называли незначащими, или бессмысленными, триплетами). В результате завершающей транслокации полипептидил-тРНК оказывается связанной с последним значащим триплетом в Р-участке рибосоме, а в А-участке устанавливается кодон терминации (рис. 4, а ).

Рис. 4. Терминация трансляции: а- после добавления последнего (С-концевого) аминокислотного остатка к растущему полипептиду, то есть образования последней пептидной связи, и завершающей транслокации, в А-участке устанавливается триплет, не кодирующий никакой аминокислоты - кодон терминации (UAG, UAA или UGA). Завершенный полипептид остается ковалентно связанным с тРНК, которая принесла последний аминокислотный остаток в рибосому; б - А-участок с кодоном терминации воспринимает специальные белки - факторы терминации RF1 (или RF2), непосредственно узнающий кодон терминации на малой субчастице рибосомы, и RF3, взаимодействующий с большой субчастицей рибосомы вблизи пептидилтрансферазного центра; в - пептидилтрансферазный центр рибосомы под действием факторов терминации катализирует реакцию переноса С-конца синтезированного полипептида от тРНК на молекулу воды: происходит гидролиз связи между тРНК и полипептидом и полипептид освобождается из рибосомы в среду; г - далее, вероятно вследствие гидролиза ГТФ, связанного с RF3, деацилированная тРНК освобождается из рибосомы; д - "пустая" рибосома легко диссоциирует на субчастицы, причем малая субчастица может некоторое время оставаться в лабильной ассоциации с мРНК и скользить вдоль нее, находя следующий кодон инициации (реинициация следующей кодирующей последовательности в полицистронных мРНК). Удалению деацилированной тРНК и диссоциации рибосом может содействовать специальный белок - фактор освобождения (RRF)

Таким образом, связь между синтезированным полипептидом (его С-концом) и тРНК гидролизуется и полипептид уже не удерживается в рибосоме и освобождается в раствор в виде готового белка (рис. 4, в).
Заключительным актом терминации является выход деацилированной тРНК из Р-участка и диссоциация рибосомы на субчастицы. Диссоциация происходит спонтанно вследствие ослабления связи между двумя рибосомными субчастицами в отсутствие лигандов (пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК), и у бактерий может значительно ускоряться под действием специального белка, называемого фактором освобождения рибосом.
После диссоциации терминировавшей рибосомы на субчастицы малая субчастица не обязательно покидает мРНК: она может задержаться на ней и в случае полицистронных мРНК у прокариот (см. статью "Биосинтез белка: инициация трансляции") проскользнуть по цепи мРНК до начала следующей кодирующей последовательности и инициировать новую трансляцию (реинициация). Так как малая субчастица до инициации слабо удерживается на мРНК, то, если ей нечего реинициировать на этой же цепи мРНК, она скоро соскочит с нее и окажется среди пула свободных субчастиц цитоплазмы, готовых к инициации трансляции других мРНК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, полный эпицикл трансляции состоит из стадий инициации, элонгации и терминации (см. статью "Принципы функционирования рибосом", рис. 1). На стадии элонгации происходит собственно трансляция кодирующей части мРНК. Эта стадия состоит из повторения элементарных элонгационных циклов, каждый их которых приводит к прохождению одного кодона мРНК и синтезу одной пептидной связи (см. статью "Принципы функционирования рибосом", рис. 2). Элонгационный цикл, в свою очередь, составляют три последовательных шага: связывание аминоацил-тРНК, транспептидация и транслокация. Сравнение стадий инициации и терминации с элонгационным циклом рибосомы приводит к выводу, что и они строятся похожим образом и могут рассматриваться как модифицированный элонгационный цикл.
Действительно, стадия инициации (см. статью "Биосинтез белка: инициация трансляции") начинается со связывания аминоацил-тРНК со специальной - инициаторной - аминоацил-тРНК. Так же как белковый фактор EF1 с ГТФ помогает связыванию аминоацил-тРНК в элонгационном цикле, гомологичный ему фактор IF2 с ГТФ помогает связыванию инициаторной метионил-тРНК при инициации. Отличие состоит в том, что инициаторное связывание аминоацил-тРНК происходит с малой субчастицей рибосомы, а не с полной рибосомой. Так как при инициации отсутствует второй субстрат, то никакой реакции транспептидации не может иметь места; этот шаг, свойственный элонгационному циклу, здесь отсутствует. Далее, когда к инициирующей малой субчастице присоединяется большая субчастица и образуется полная рибосома, инициаторная метионил-тРНК транслоцируется в Р-участок и имеются все основания полагать, что фактор IF2, осуществляющий гидролиз ГТФ, ведет себя подобно фактору транслокации EF2 в элонгационном цикле.
Стадия терминации еще больше напоминает элонгационный цикл. Она тоже начинается с шага связывания, но с кодоном терминации в А-участке связывается не аминоацил-тРНК, а белок RF1 (или RF2), рассматриваемый как аналог аминоацил-тРНК. Ему помогает белок RF3 с ГТФ, что похоже на роль EF1 с ГТФ при связывании аминоацил-тРНК в элонгационном цикле. Следующий шаг - реакция, катализируемая пептидилтрансферазным центром, но при терминации пептидный остаток перебрасывается не на очередную аминоацил-тРНК, как в элонгационном цикле, а на молекулу воды. Это аналог реакции транспептидации. Наконец, по-видимому, при участии RF3 с сопутствующим гидролизом ГТФ происходит что-то похожее на транслокацию: RF1 (или RF2) убирается из А-участка, а деацилированная тРНК - из Р-участка.

ЛИТЕРАТУРА
1. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка. М.: Высш. шк., 1986. 300 с.
2. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978. 700 с.
3. Buckingham R.H., Grentzmann G., Kisselev L. Polypeptide Chain Release Factors // Mol. Microbiol. 1997. Vol. 24. P. 449-456.
4. Komar A.A., Kommer A., Krasheninnikov I.A., Spirin A.S. Cotranslational Folding of Globin // J. Biol. Chem. 1997. Vol. 272. P. 10646-10651.
5. Zubay G. Biochemistry. Menlo Park (Calif.): Addison-Wesley Publ. Co, 1983. Ch. 26.
* * *
Александр Сергеевич Спирин, доктор биологических наук, профессор и зав. кафедрой молекулярной биологии МГУ, директор Института белка Российской академии наук, действительный член Российской академии наук и член Президиума Российской академии наук, член ряда международных и зарубежных академий и организаций, в том числе Европейской молекулярно-биологической организации (EMBO), Европейской академии (Academia Europea), Германской академии естествоиспытателей "Леопольдина", Американского философического общества. Основной круг научных исследований - структура и функция белоксинтезирующего аппарата, регуляция биосинтеза белков, бесклеточные системы биосинтеза белков, котрансляционное сворачивание белков. Редактор трехтомного учебника для вузов "Молекулярная биология" и автор одного их томов ("Структура рибосомы и биосинтез белка"), автор монографии "Рибосома" (два издания) на русском языке и трех монографий, изданных в США и Германии на английском языке ("Macromolecular Structure of Ribonucleic Acids" N.Y.: Reinhold, 1964; "The Ribosome" Heidelberg: Springer-Verlag, 1969; "Ribosome Structure and Protein Synthesis" Menlo Park: Benjamin/Cummings, 1986), переведенных также на другие языки. Автор около 300 публикаций в российских и международных журналах.

? Спирин А.С., 1999