ТРАНСЛЯЦИЯ

Трансляция | Биология

Под трансляцией в биологии понимают синтез из аминокислот полипептидов, который протекает в цитоплазме на рибосомах при участии 1) мРНК в качестве матрицы, 2) тРНК в качестве переносчика аминокислот, а также 3) ряда белковых факторов, выполняющих каталитическую функцию на разных этапах процесса. Трансляция протекает в клетках всех живых организмов, это фундаментальный процесс живой природы.

С информационной точки зрения трансляцию можно определить как механизм перевода последовательности триплетов мРНК в последовательность аминокислот белка.

Функция рибосом состоит в удерживании в нужном положении мРНК, тРНК и белковых факторов до тех пор, пока не произойдет определенная химическая реакция. Чаще всего это образование пептидной связи между соседними аминокислотами.

Трансляция и биосинтез белка обычно означают одно и то же. Однако, когда говорят о биосинтезе белка, то нередко в него включают посттрансляционные модификации полипептидов (приобретение ими вторичной, третичной и четверичной структур), а также иногда могут включать процесс транскрипции. С этой точки зрения трансляция рассматривается как важный этап в биосинтезе белков.

Процесс трансляции у эукариот и прокариот имеет ряд отличий, в основном связанный с разнообразием и активностью белковых факторов.

На одной цепочке мРНК может находится несколько рибосом, образуя полисому. При этом сразу происходит синтез нескольких идентичных полипептидов (но каждый находится на своей стадии синтеза).

Синтез одного белка обычно длится несколько секунд.

Процесс трансляции обладает свойством специфичности. Во-первых, определенным кодонам мРНК соответствуют свои тРНК. Во вторых, аминокислоты присоединяются только к «своим» тРНК.

Активация аминокислот

Активация аминокислот необходима, так как только в таком состоянии они способны соединяться с тРНК и позже образовывать между собой пептидные связи.

В цитоплазме клеток всегда находятся свободные (не соединенные с другими веществами) аминокислоты. Специфичные ферменты в присутствии АТФ преобразуют аминокислоту в аминоациладенилат, который уже способен соединяться с тРНК.

Существует класс ферментов – аминоацил-тРНК-синтетазы, – которые активируют аминокислоты, используя при этом энергию АТФ. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, после чего присоединяется только к своей тРНК. Образуется комплекс аминокислоты с тРНК – аминоацил-тРНК (аа-тРНК).

Инициация трансляции

Инициация трансляции включает следующие последовательно протекающие при участии факторов инициации этапы:

1. Присоединение 5'-конца мРНК к малой субъединице рибосомы. При этом стартовый кодон (AUG) размещается в недостроенном (из-за отсутствия большой субъединицы) P-сайте рибосомы.

2. Комплекс аа-тРНК с соответствующим антикодоном присоединяется к стартовому кодону мРНК. У эукариот кодон AUG кодирует аминокислоту метионин, у прокариот — формил-метионин. Позже эти стартовые аминокислоты вырезаются из готового полипептида.

3. Происходит объединение субъединиц рибосом, в результате чего достраиваются их P- и A-сайты.

Схема строения рибосомы (A, P, E — участки-сайты для молекул тРНК)

Таким образом, на этапе инициации происходит распознавание рибосомой стартового кодона и подготовка к началу синтеза.

Образующаяся связь между рибосомой и мРНК обратима, мРНК после синтеза полипептида может быть отсоединена от рибосомы. В последствии мРНК используется еще раз или разрушается специальными ферментами.

Стартовый кодон AUG отличается от других таких же кодонов в середине мРНК тем, что перед ним находится кэп и определенные нуклеотидные последовательности. Именно благодаря им AUG распознается как стартовый. (Это касается в основном эукариот.)

Элонгация трансляции

На этом этапе происходит непосредственный синтез полипептидной цепочки. Процесс элонгации состоит из множества циклов. Один цикл элонгации — это присоединение одной аминокислоты к растущей полипептидной цепочке.

Уже на этапе инициации P-сайт рибосомы оказывается занятым первой тРНК, несущей аминокислоту метионин. В первом цикле элонгации в A-сайт рибосомы заходит второй комплекс aa-тРНК. Это будет та тРНК, чей антикодон комплементарен следующему (за стартовым AUG) кодону.

A(аминоацил)- и P(пептидил)-сайты располагают комплексы аа-тРНК так, что между аминокислотами протекает химическая реакция, и образуется пептидная связь.

После этого первая (находящаяся в P-сайте) тРНК освобождается от своей аминокислоты. В результате последняя оказывается связанной только со второй аминокислотой пептидной связью. Вторая аминокислота связана со второй тРНК, находящейся в A-сайте.

Рибосома перемещается по нити мРНК на один триплет. При этом первая т-РНК оказывается в E-сайте (exit) рибосомы, после чего покидает ее. Вторая т-РНК, связанная с двумя аминокислотами, переходит в P-сайт. A-сайт освобождается для поступления третьего комплекса аа-тРНК.

Следующие циклы элонгации протекают аналогично первому. Когда A-сайт освобождается, в него может зайти аа-тРНК, чей антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемся в этот момент в A-сайте.

Терминация трансляции

Терминация — это завершения синтеза полипептидной цепочки и ее отделение. Терминация наступает, когда рибосома встречает один из терминирующих кодонов (UAA, UAG, UGA), для которых не существует своих тРНК. Эти участки мРНК распознаются специальными белками — факторами терминации.

Синтез белков обеспечивают рибосомы

Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК.

После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.

Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:

• матрица – матричная РНК,
• растущая цепь – полипептид,
• субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,
• источник энергии – ГТФ,
• рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы.

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

Инициация

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса: 

• первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,
• второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.

После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ.

После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы.

А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.

События стадии инициации

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

Элонгация

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.

Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

1. Присоединение аминоацил-тРНК (еще  второй)  к кодону мРНК (еще второму),  аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.
2. Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH2-группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.

1. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон (на рисунке ) становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон (на рисунке ). Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.

Последовательность событий стадии элонгации

Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к третьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид, занимающий А-центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции..

В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и начинается третий цикл элонгации:

Образование пептидной связи при встраивании четвертой аминокислоты в пептид.
Субъединицы рибосомы, большая часть транспортных РНК и матричная РНК не показаны

Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь.

Терминация

Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют:

1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
2. Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.
3. Диссоциацию рибосомы.

Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.

Полирибосомы

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное количество «белковых копий».

Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи.

Такие образования называются полирибосомы.