Лекция 14. Трансляция и синтез белков на рибосоме

Лекция 14. Трансляция и синтез белков на рибосоме
Двумя другими компонентами системы биосинтеза белка являются мРНК и
рибосомы; мРНК синтезируется непосредственно на ДНК. Для правильной
трансляции содержащийся в молекуле мРНК информации в аминокислотную
последовательность полипептидной цепи необходимо соблюдение двух
принципиально важных условий.. Во-первых, весьма существенно, чтобы
молекула мРНК (или по крайней мере активно считываемый в данный
момент времени ее участок) находилась в расправленном состоянии, так как
любые внутримолекулярные спаривания оснований будут затруднять
считывание
информации
молекулами
тРНК.
Следовательно,
можно
предположить, что одна из основных функций рибосом состоит в том, чтобы
поддерживать молекулу мРНК в таком состоянии, которое наиболее
благоприятно в отношении спаривания ее оснований с основаниями тРНК.
Во-вторых,
рибосома
должна
обеспечивать
должную
стабильность
образующемуся комплексу мРНК-тРНК. Поскольку считывание кода
основывается просто на спаривании триплетов этих двух относительно
больших молекул, в этом процессе образуется очень небольшое число
водородных связей. Есть все основания предполагать, что стабильность этих
связей в водной среде должна быть весьма низкой. Изучение связывания
рибосомами различных видов РНК показало, что тРНК присоединяется к
рибосоме свободной 2/ОН -группой рибозы. Относится ли это и к мРНК или,
быть может, в этом случае в образовании связей участвуют другие группы
молекулы – этот вопрос остается в настоящее время невыясненным. Однако
нет никакого сомнения в том, что связывание молекул РНК “поверхностью”
рибосомы является важнейшим этапом процесса биосинтеза белка.
Рибосомы представляют собой сложные частицы, содержащие в своем
составе рРНК и белок. Размер самых больших рибосом составляет 250Ао.
Длина мРНК во многих случаях значительно больше. Например, мРНК,
кодирующая
одну
из
цепей
гемоглобина
(содержащую
около
140
аминокислотных остатков), должна иметь длину около 1500Ао. Ясно
поэтому, что лишь небольшая часть молекулы мРНК может вступить в
контакт
с
рибосомой.
Сейчас
уже
известно,
что
в
клетках,
характеризующихся активным биосинтезом белка, к одной молекуле мРНК
присоединяется сразу несколько рибосом. Образующиеся при этом агрегаты
получили название полисом (полирибосом). Размеры полисомы определяется
главным образом размерами мРНК. Так, в клетках млекопитающих
полисомы, связанные с синтезом гемоглобина, содержат 5-6 рибосом, т.е.
представляют собой агрегаты, “размеры”, которых соответствуют частице с
константой седиментации около 200S; в то же время очень большая молекула
сывороточного альбумина, содержащая около 600 аминокислотных остатков,
должна
кодироваться
мРНК
длиной
6000Ао,
примерно
к
которой
одновременно может быть прикреплено до 20 рибосом.
Поскольку образование полипептидной цепи начинается с одного конца и
далее
происходит
путем
последовательного
присоединения
одной
аминокислоты за другой пока вся цепь не будет готова, следует думать, что
каждая из рибосом непрерывно перемещается вдоль молекулы мРНК,
осуществляя
это
последовательное
присоединение.
На
основании
результатов исследований генетического кода мы можем предположить, что
рибосома присоединяется избирательно к одному из концов молекулы мРНК
и считывание информации, т.е. перемещение рибосомы к другому концу,
происходит без каких-либо перерывов. По достижении конца молекулы
мРНК происходит отделение полипептидной цепи, а свободная рибосома
может начать считывание этой же (или иной) мРНК. Это описание
согласуется с данными, полученными при введении меченных аминокислот
в белоксинтезирующую бесклеточную систему. Можно думать, что в такой
активно
синтезирующей
присутствуют
белок системе в любой данный момент
в разной степени завершенные полипептидные цепи
различной длины. На ранних этапах
«жизни» системы в ней могут
присутствовать только незавершенные цепи. Если в этот момент к системе
добавить меченые аминокислоты, то все новосинтезированные участки
полипептидных цепей будут содержать метку. Поэтому мы можем
предсказать, что при анализе завершенных и отсоединившихся от рибосом
полипептидов будут обнаруживаться цепи с самой различной длиной
меченых участков; длина эта будет зависеть просто от того, как долго шел
синтез данной цепи еще до введения метки. Если рибосома «считала» к
моменту введения меченой аминокислоты уже почти всю информацию,
содержащуюся в мРНК, то только малая часть молекулы образующегося
полипептида
будет
содержать
метку;
напротив,
если
полипептид
синтезирован на рибосоме, которая присоединилась к мРНК незадолго до
введения метки, тем большая доля синтезируемого в системе белка будет
содержать
метку.
Полученные
результаты
хорошо
согласуются
с
представлением о постепенном (шаг за шагом) движении рибосом вдоль
молекулы мРНК, приводящем к образованию непрерывной полипептидной
цепи. Наиболее существенным было обнаружение того обстоятельства, что
N-концы полипептидных цепей всегда содержит меньше метки. Это
означает, что считывание информации начинается с триплетов, кодирующих
N-конец полипептида и оканчивается триплетом, кодирующим его С-конец.
Ряд иных, сходных с вышеприведенным экспериментом подтверждает
правильность этого заключения. Из этого обсуждения следует, что рибосома
способна различать начало и конец молекулы мРНК, а также что она
присоединяется только к ее началу (присоединение к любому иному месту
мРНК привело бы к образованию незавершенной полипептидной цепи). Хотя
о природе этого распознавания известно все еще очень мало, тем не менее
очевидно, что молекула мРНК, подобно цепи ДНК, на которой происходит ее
транскрипция, полярна. Вероятно, рибосома, способна
распознать эту
полярность, в результате чего считывание мРНК происходит только в одном
направлении.