РИБОЗОМИ И БЕЛТЪЧНА СИНТЕЗА
При много малка част от гените зрялата РНК е крайният продукт
на експресията. Повечето гени са за белтъци. Белезите на организма в крайна
сметка се определят от белтъците, които той може да произведе. Белтъчната синтеза
подобно на РНК-синтезата е матрична. В този случай обаче продуктът (полипептидната
верига) силно се различава от матрицата (мРНК). Затова белтъчната синтеза се
нарича още транслация или превеждане (на мРНК).
Транскрипцията е сравнително прост процес, защото се основава на комплементарното взаимодействие между нуклеотидите. Аминокиселините обаче нямат никакво пространствено сродство към нуклеотидите. Ето защо транслацията протича много по-сложно и изисква далеч по-значителна материална база.
1. Генетичен код
По пътя от ДНК до белтък наследствената информация се запазва, само се преобразува от нуклеотиден в аминокиселинен запис. Всеки начин да се прехвърля информация от една в друга система от знаци се нарича код. Начинът, по който се съпоставят аминокиселини на нуклеотидите от мРНК, се нарича генетичен код.
Най-простият тип код е синглетният, който на един знак съпоставя също един знак. Генетичният код обаче не би могъл да бъде синглетен. В мРНК има 4 вида нуклеотиди и при синглетен код те биха съответствали на 4 аминокиселини, а белтъците са изградени от 20 различни аминокиселини. Следващата възможност е дублетен код: на 2 нуклеотида да се съпоставя 1 аминокиселина. Съчетанията от 2 нуклеотида са 42 = 16 – не достигат за малко. При триплетен код 3 нуклеотида биха кодирали 1 аминокиселина. Възможните съчетания от 3 нуклеотида, наречени триплети, са 43 = 64. Това е повече от достатъчно за кодиране на 20 аминокиселини. Така още преди да е направен опит за разчитане на генетичния код, е станало ясно, че той трябва да е триплетен. Триплетите в мРНК са били наречени кодони. На този етап са възникнали други въпроси: дали от възможните 64 кодона се използват само 20 или кодът е изроден, т.е. някои аминокиселини се кодират от 2 или повече триплета; дали има нуклеотиди, които участват едновременно в 2 съседни кодона (кодът се припокрива); дали, обратно, има разделителни знаци (нуклеотиди, които разделят съседни кодони, без да участват в нито един от тях); има ли специални кодони или други съчетания за начало и край; и, разбира се, кой кодон на коя аминокиселина отговаря и дали в това отношение има разлики при различните организми.
Натрупването на познания за РНК, белтъците и рибозомите е позволило да се отговори на тези въпроси. Първо изкуствено (без ДНК-матрица) са били синтезирани къси вериги РНК с известна последователност. Те са били прибавяни вместо мРНК в система за транслация in vitro и полученият полипептид е бил сравняван с изкуствената РНК. Резултат от тези проучвания е долната таблица, която показва кой кодон на коя аминокиселина съответства.
Вижда се, че кодът е изроден. От 64-те кодона 61 кодират аминокиселини. Останалите
три, а именно УАА, УАГ и УГА, служат като сигнали за край на транслацията. Наричат
се завършващи, терминални, безсмислени или стоп-кодони. За повечето аминокиселини
има 2 или 4 кодона. Те се различават по третия си нуклеотид. Някои аминокиселини
разполагат с по цели 6 кодона. Две аминокиселини, метионин и триптофан, се кодират
само от по 1 кодон. Метиониновият кодон АУГ, когато е разположен подходящо в
предния край на мРНК, служи и като сигнал за започване на синтезата.
По-рано се е смятало, че описаният код е универсален, т.е. има посочения вид за всички геноми. Впоследствие се е наложило в това твърдение да се добави думата “почти”. Има някои геноми, в които отделни кодони имат друго значение. Например при най-малките и прости микроорганизми – микоплазмите, УГА не е завършващ кодон, а кодира триптофан. Понеже даденият в горната таблица код е почти, но не изцяло универсален, днес той се нарича стандартен. Отклоненията от стандартния код изглеждат вторично появили се в еволюцията и никога не са големи.
Други свойства, които не личат от таблицата, са, че кодът е неприпокриващ се и без разделителни знаци (запетаи). Поради липсата на разделителни знаци точката, откъдето започва разчитането, има голямо значение. Всяко групиране на нуклеотидите в кодони се нарича рамка на четене. Тъй като кодът е триплетен, за всяка мРНК са възможни 3 рамки на четене. За ДНК те са 6, защото трябва да се вземат предвид и двете вериги. Само една от рамките е "истинска", т.е. кодира полипептидна верига. Нарича се отворена рамка, защото само там има дълга поредица от кодони, преди да се стигне до стоп-кодон.
2. Рибозома
Поради сложността си синтезата на белтъци не може да се осигури от два-три свободно плуващи ензима, а изисква цяла органела, в която да протича. Тази органела се нарича рибозома и е сложен комплекс от няколко (3 или 4) молекули рибозомна РНК и няколко десетки белтъци.
Под електронен микроскоп рибозомите се виждат като малки тъмни зрънца (вж. напр. http://web.mit.edu/esgbio/www/cb/org/rough_er-em.gif). При много голямо увеличение обаче се вижда, че те имат по-сложен строеж и се състоят от две части, напомнящи пънче и шапка на гъба (вж. снимката на http://web.mit.edu/king-lab/www/research/Patricia/Patricia-Research.html). Тези две части се наричат субединици (субчастици) – голяма и малка. Съставът на субединиците и общата им форма са дадени на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?tool=bookshelf&call=bv.View..ShowSection&searchterm=ribosome&rid=cell.figgrp.999. Двете субединици се свързват в цялостна рибозома чрез магнезиеви йони.
Прокариотните и еукариотните рибозоми си приличат по форма, но прокариотните са малко по-дребни. В прокариотната клетка ДНК и рибозомите не са разграничени. Още преди мРНК да е синтезирана докрай, към нея се прикрепват рибозоми и транслацията й започва.
Спрягане на транскрипцията и транслацията при прокариотите. От Paustian (1999)
с любезното му разрешение.
При еукариотите рибозомните субединици се изграждат в ядърцето, но стават
годни за работа едва след като излязат в цитоплазмата. Както знаем, всеки процес
в еукариотната клетка си има определено място и за белтъчната синтеза това е
цитоплазмата.
В рибозомата има 3 участъка за свързване на РНК – един за мРНК и два за тРНК (вж. схемата). Този за мРНК лежи изцяло в малката субединица, докато двата участъка за тРНК са му перпендикулярни и обхващат и двете субединици. Единият приютява тази тРНК, за която е закрепен растящият полипептид. Затова се означава с П (от пептид). В другия участък се настанява тРНК, която носи следващата аминокиселина. Съответно участъкът се означава с А (от аминокиселина). Двата участъка са сближени и успоредни, тъй като двата съседни кодона са един до друг, а на другия край двете аминокиселини също трябва да се сближат, за да се свържат.
Новата пептидна връзка се получава, като пептидът се откъсне от своята тРНК
и се прехвърли върху самотната аминокиселина в съседство. Реакцията не изисква
енергия, но се нуждае от катализатор. Той се нарича пептидил-трансфераза и ролята
му е аналогична на ролята на полимеразите при синтезата на нуклеиновите киселини.
Отначало са предполагали, че пептидил-трансферазата е някой от рибозомните белтъци.
Впоследствие се е оказало, че тя е част от най-голямата рРНК, т.е. не е ензим,
а рибозим (така се наричат РНК-катализаторите).
3. Молекули-адаптори
3.1. тРНК
Както се спомена, между нуклеотидите и аминокиселините няма пространствено сродство. Нужен е адаптор, който да се свърже, от една страна, с кодона, а от друга – с аминокиселината. Този адаптор е тРНК. Към 3’-края й се закача аминокиселината. В съвсем друга част на молекулата има 3 съседни нуклеотида, комплементарни на кодона. Този триплет в тРНК се нарича антикодон.
тРНК са малки – около 80 нуклеотида. На адрес http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.340 е дадена обобщената вторична структура на тРНК. Вижда се, че молекулата й неколкократно завива на 180о и образува двуверижни участъци – бримки. Така получената структура напомня детелинов лист.
Средното "листенце" на детелиновия лист се нарича антикодонова бримка и съдържа антикодона точно там, където РНК-веригата се извива назад. Бримката е огъната така, че взаимодействието антикодон – кодон да бъде по-свободно от обичайните комплементарни свързвания. Това позволява някои изродени кодони да се разпознават от един и същ антикодон и транслацията да протича със сравнително малко тРНК – повече от 20, но много по-малко от 61.
Детелиновият лист се нагъва допълнително и образува Г-образна пространствена структура (вж. отново http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.340. При това 3'-краят (т.е. мястото за свързване на аминокиселината) и антикодонът са максимално открити – разполагат се на двата края на буквата Г.
3.2. Активиращи ензими
При синтезата на полипептид от аминокиселини се отделя вода. Както стана дума още при репликацията, такива реакции са неизгодни във воден разтвор. За да протекат, трябва субстратът да се активира предварително, така че неизгодната реакция да се спрегне с някоя изгодна. Активирането на аминокиселините се катализира от ензими, съкратено наричани активиращи или натоварващи ензими (официалното им име е аминоацил-тРНК-синтетази).
Активиращите ензими плуват в цитозола без пряка връзка с рибозомите или мРНК. Бактериите имат по една синтетаза за всяка аминокиселина. Общо взето, така е и при еукариотите, макар че в отделни случаи за една аминокиселина има повече от един ензим.
Енергията за активиране идва от АТФ. Върху активния център на ензима се настаняват аминокиселината и АТФ. Отделя се пирофосфат и аминокиселината се свързва с АМФ с макроергична връзка. С това тя вече е активирана.
Полученото съединение обаче има кратък живот. То е достатъчно активирано от химична гледна точка, но е негодно като субстрат за матрична синтеза. Затова остава върху ензима, докато към активния център се присъедини тРНК. Тя измества АМФ и присъединява аминокиселината към 3’-края си. Между тРНК и аминокиселината се образува естерна връзка, която, макар да не се нарича макроергична, е достатъчно богата на енергия. тРНК със закачената аминокиселина (наречена още аминоацил-тРНК) напуска ензима и дифундира, докато достигне някоя рибозома. Ето схема на описаните реакции:
Трябва да се подчертае, че активиращият ензим не само повдига енергетичното
ниво на аминокиселината, а и урежда срещата й с тРНК. Сама тРНК никога не би
разпознала своята аминокиселина. 3’-краят на тРНК не е нагоден за такава сложна
работа и е винаги еднакъв (последователността му е ЦЦА при всички тРНК). Без
да имат пространствено сродство една към друга, тРНК и аминокиселината се събират
благодарение на ензима, който има пространствено сродство и към двете. Макар
че функцията на тРНК е адапторна, без ензима тРНК би имала същия неуспех в разпознаването
на аминокиселината, както и самата мРНК. Следователно активиращият ензим е втори
адаптор на транслацията с не по-малко важна роля от първия адаптор тРНК. Схема
на двата адаптора е дадена на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?tool=bookshelf&call=bv.View..ShowSection&searchterm=adaptor&rid=cell.figgrp.990.
4. Етапи на транслацията
Както и презаписването, превеждането протича на 3 етапа – инициация, елонгация и терминация.
4.1. Инициация
Рибозомата във вида, показан на горната схема (т.е. сглобена без мРНК), е неактивна. При инициацията (започването) на белтъчната синтеза двете субединици трябва да се разделят. За това отговарят специални белтъци, на които няма да се спираме. След това малката субединица свързва мРНК и първата тРНК с аминокиселина. Тяхната съвкупност се нарича начален (инициаторен) комплекс.
5’-краят на мРНК е преден не само при синтезата, а и при
превеждането й. Той се разпознава от рибозомата и се свързва с нея. Прокариотните
рибозоми го разпознават по първичната му структура, а еукариотните – по шапката.
Недалеч от него се намира първият транслиран кодон АУГ.
АУГ е единствен кодон за метионин и се среща и по-нататък в мРНК всеки път, когато в полипептида трябва да се включи тази аминокиселина. Във вътрешността на веригата обаче с АУГ се свързва друга тРНК. Дори и в най-икономичните генетични системи е предвидена специална инициаторна (начална) тРНК за метионин, която се свързва само с началния кодон. Носейки своя метионин, тя се настанява в П-участъка (а не в А-участъка, където по-късно ще постъпват останалите тРНК с аминокиселини).
След като малката субединица се свърже с мРНК и с началната тРНК, към началния комплекс се присъединява голямата субединица и се получава активна рибозома. С това инициацията завършва. Синтезата продължава, все едно в П-участъка вече е закачен цял пептид, а не само един метионин.
4.2. Елонгация
Елонгацията (удължаването) представлява белтъчната синтеза по същество. В А-участъка влиза тРНК, носеща аминокиселина. Ако антикодонът й не пасне на наличния кодон, тя се изтиква обратно навън заедно с аминокиселината. Ако обаче антикодонът на тРНК се окаже комплементарен на кодона, образуваните водородни връзки я задържат на място. Тогава аминогрупата на нейната аминокиселина се оказва до активираната СО-група на последната аминокиселина от пептида. Пептидил-трансферазата свързва ковалентно двете аминокиселини, откъсвайки пептида от неговата тРНК.
След като се образува новата пептидна връзка, рибозомата проявява удивителна
гъвкавост. Тя се премества по мРНК в посока 5’ – 3’ с един кодон. При това тРНК
от П-участъка, която вече не носи нищо, се оказва изместена и напуска сцената.
тРНК от А-участъка, която вече носи пептида, попада в П-участъка. А-участъкът
е празен и готов да приеме нова тРНК с аминокиселина. Всичко е както в началото
на описанието с тази разлика, че полипептидът е с една аминокиселина по-дълъг.
Една молекула мРНК може да се транслира многократно. Не е нужно да се чака първата рибозома да завърши своя полипептид. Щом първата елонгация напредне донякъде и 5’-краят на мРНК се освободи, с него може да се свърже втора рибозома, а след малко – и трета. Образува се комплекс – полирибозома, който синтезира един и същ белтък с много малка разлика във времето. Снимка на полизома може да се види например на http://www.nobel.se/medicine/educational/dna/a/translation/polysome_em.html и http://cellbio.utmb.edu/cellbio/ribosome.htm.
4.3. Терминация
Елонгацията продължава, докато в А-участъка попадне някой от завършващите кодони – УАА, УАГ или УГА. Тогава се пристъпва към терминация (завършване) на белтъчната синтеза. Няма тРНК с антикодон за тези кодони. Затова пък има белтъци, способни да ги разпознаят и свържат. Те по пространствена структура донякъде напомнят тРНК. Наричат се освобождаващи фактори, защото освобождават полипептидната верига, като я откъсват от последната тРНК и я свързват с молекула вода. Готовият полипептид напуска рибозомата. Целият комплекс се разпада – тРНК, мРНК и двете субединици се отделят една от друга, връщайки се в състоянието отпреди инициацията.
Основни източници
Марков Г. Тайните на клетката. 3. осн. прер. изд. Народна просвета, София, 1984.
Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
Childs G.V. (1996). Role of the ribosome. [Online] http://cellbio.utmb.edu/cellbio/ribosome.htm
Gilbert S.F. Developmental Biology. 6th Edition. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, USA, 2000. [Online] http://www.devbio.com/
King M.W. (2001). Protein synthesis. [Online] http://www.indstate.edu/thcme/mwking/protein-synthesis.html
Nakamura Y., K. Ito, L.A. Isaksson (1996). Emerging understanding of translation termination. Cell 87: 147-150.
Paustian T. (1999). The world of microbes: DNA. [Online] http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/modules.php?op=modload&name=Sections&file=index&req=viewarticle&artid=27&page=1
Schimmel P., R. Alexander (1998). All you need is RNA. Science 281: 658-659.
Stryer L. Biochemistry. 4th Edition. W.H. Freeman & Co., New York, 1995.
Copyright © Майя Маркова
| Предишен раздел | Начало | Следващ раздел |