Генетический код

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана на мРНК в виде трехбуквенного нуклеотидного кода.

Свойства генетического кода: триплетность – каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (кодоном); вырожденность (избыточность) – каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами; последовательность первых двух нуклеотидов определяет в основном специфичность каждого кодона, третий нуклеотид имеет меньшее значение (данное свойство повышает устойчивость генетической информации к воздействию неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды); специфичность – каждому кодону соответствует только 1 аминокислота; неперекрываемость – нуклеотид, входящий в состав одного триплета не может входить в состав соседнего; однонаправленность – считывание информации идет в направлении 5’®3’; коллинеарность – соответствие последовательности аминокислот в белке последовательности триплетов в мРНК; универсальность – соответствие аминокислот триплетному коду у всех живых организмов.

Среди 64 триплетов мРНК выделяют 3 типа: 1) инициирующие – АУГ и ГУГ (кодируют включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот, если стоят вначале мРНК; если находятся в середине – то являются смысловыми), определяют стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы; 2) смысловые кодоны – кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь; 3) терминирующие кодоны не кодируют включение аминокислот, это нонсенс-кодоны, которые определяют завершение (терминацию) синтеза полипетидной цепи.

Процесс биосинтеза белка протекает в 5 основных этапов, каждый из которых требует ряда компонентов.

I этап: активация аминокислот

На этом этапе, который протекает в цитозоле, а не в рибосоме, каждая из 20 аминокислот ковалентно присоединяется к определенной тРНК, используя для этого энергию АТФ. Значение этапа: 1) активация СООН-группы аминокислот, которая может участвовать в образовании пептидной связи; 2) аминокислоты сами не могут узнавать кодоны мРНК, а переносятся к рибосомам специфическими тРНК, которые и узнают кодоны мРНК и выполняют, таким образом, роль адапторных молекул.

Необходимые компоненты:

1) 20 аминокислот; 10 аминокислот являются незаменимыми и должны поступать с пищей; если отсутствует хотя бы одна аминокислота, процесс биосинтеза белка прекращается; 2) ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы; 3) тРНК; 4) АТФ; 5) Mg²⁺.

Активация аминокислот и их присоединение к тРНК осуществляется специфическими аминоацил-тРНК-синтетазами, которые называют активирующими ферментами.

Общий вид катализируемой реакции может быть выражен уравнением:

Аминокислота + тРНК +АТФ+ Mg²⁺® Аминоацил-тРНК + АМФ + РРi

1. На первой стадии в активном центре фермента в результате взаимодействия АТФ и аминокислоты образуется связанное с ферментом промежуточное соединение аминоациладенилат.

2.На второй стадии аминоацильный остаток переносится с аминоациладенилата, связанного с ферментом, на 3’-гидроксильную группу концевого остатка аденина в молекуле тРНК.

3. Образующийся в процессе активации неорганический пирофосфат гидролизуется пирофосфатазой до 2-х молекул ортофосфата. Таким образом, на активацию каждой аминокислоты затрачиваются в конечном счете две высокоэнергетические фосфатные связи (одна на образование эфирной связи аминоацил-тРНК, другая сдвигает равновесие реакции в сторону образования продукта), что делает суммарную реакцию активации аминокислот практически необратимой.

Фермент амино-ацил-тРНК-синтетаза обладает специфичностью к аминокислоте и к тРНК. Фермент имеет 4 центра связывания: 1) для тРНК; 2) для АТФ; 3) для аминокислоты; 4) для воды. Гидролитическая активность фермента обеспечивает правильность присоединения аминокислоты к тРНК.

II этап: инициация полипептидной цепи

Необходимые компоненты:

1) мРНК; 2) инициирующая аминоацил-тРНК (формилметионил-тРНК); 3) 30S и 50S субъединицы рибосом; 4) ГТФ; 5) Mg²⁺; 6) факторы инициации (IF-1, IF-2, IF-3).

На стадии инициации требуется разместить рибосому на 5’-конце мРНК и с инициирующим кодоном ее (АУГ) связать антикодоном формилметионин-тРНК.

1. 30S субъединица рибосомы связывается с фактором инициации-3 (IF-3), который препятствует объединению 30S и 50S субъединиц рибосом с образованием непродуктивного 70S–комплекса без мРНК и способствует присоединению инициирующего кодона мРНК к определенному участку 30S субъединицы рибосом.

2. Одновременно инициирующая формилметионил-тРНК связывается с ГТФ и IF-2.

3. Затем оба комплекса взаимодействуют и образуется инициаторный комплекс, который с помощью фактора IF-1 связывается с мРНК.

4. Белковый фактор IF-2 способствует соединению малой и большой субъединиц рибосом. После присоединения большой субъединицы рибосом происходит гидролиз ГТФ и высвобождение всех факторов инициации.

5. Полностью собранная рибосома содержит 2 функциональных участка, образованных благодаря специфическому сочетанию областей 30S и 50S субъединиц рибосом, для взаимодействия с молекулами тРНК. Пептидильный участок (Р-участок) имеет сродство к пептидам и содержит в процессе синтеза растущую полипептидную цепь. Аминоацильный участок (А-участок) содержит аминоацил-тРНК, соединенную с соответствующим кодоном мРНК. В конце данного этапа в Р-участке находится инициирующая аминоацил-тРНК, а А-участок свободен.

Для процесса трансляции важно правильное положение инициирующего кодона мРНК, т.к. от этого зависит его попадание в Р-участок полной рибосомы. Оказалось, что у 5’-конца мРНК имеется специальная последовательность нуклеотидов, комплементарная участку 16S, входящему в малую рибосомную субъединицу.

III этап – элонгация полипептидной цепи

Необходимые компоненты для элонгации:

1) полный набор аминоацил-тРНК; 2) Mg²⁺; 3) факторы элонгации EF-T_u, EF-T_s и EF-G; 4) пептидилтрансфераза.

Цикл элонгации включает 3 этапа: 1) связывание аминоацил-тРНК; 2) образование пептидной связи; 3 ) траслокация.

1. Фактор элонгации EF-T_u образует комплекс с ГТФ, который связывается со всеми аминоацил-тРНК в цитоплазме. Тройной комплекс, содержащий аминоацил-тРНК, связывается антикодоном с кодоном мРНК в А-участке рибосомы по принципу комплементарности. Фактор элонгации EF-T_u обладает ГТФ-азной активностью и гидролизует ГТФ. После этого EF-T_u, ГДФ и Рн удаляются из рибосомы и исходный комплекс регенерирует при помощи T_s и ГТФ.

2. С участием фермента пептидилтрансферазы (составная часть 50S субъединицы рибосомы) происходит образование пептидной связи между находящимися рядом формилметионином и аминокислотой в А-участке за счет энергии макроэргической связи аминоацил-тРНК.

3. После образования связи ненагруженная тРНК занимает Р-участок, а дипептидил-тРНК знимает А-участок.

4. При участии фактора EF-G и за счет энергии ГТФ происходит процесс транслокации – рибосома перемещается на один кодон мРНК в направлении 5’→3’ и пептидил-тРНК перемещается в Р-участок.

5. В результате транслокации в А-участок рибосомы приходит следующий новый кодон мРНК. К нему методом случайного подбора присоединяется комплементарная аминоацил-тРНК. Между дипептидом Р-участка и аминокислотным остатком в А-участке замыкается пептидная связь. Возникший трипептид транслоцируется в Р-участок, а в А-участок приходит следующий новый кодон мРНК и т.д. Таким образом, процесс повторяется пока в Р–участок не придет один из терминирующих кодонов.

IV этап – терминация

Необходимые компоненты этапа:

1) АТФ; 2) терминирующий (нонсенс-кодон); 3) факторы терминации – RF-1 и RF-2; 4) пептидилтрансфераза; 5) фактор RRF (ribosome release factor).

1. После многих циклов элонгации, в результате которых синтезируется полипептидная цепь белка, в А-участке появляется терминирующий или нонсенс-кодон.

2. В норме отсутствуют молекулы тРНК, способные узнавать нонсенс-кодоны. Факторы терминации узнают данные кодоны: RF-1 узнает кодоны УАА и УАГ, RF-2 – УАА и УГА.

3. Связывание релизинг-фактора с терминирующим кодонам в А-участке активирует пептидилэстеразу, которая гидролизует связь между полипептидом и тРНК в Р-участке. После гидролиза и высвобождения синтезированного полипептида и тРНК рибосома диссоциирует на малую и большую субъединицы, готовых к синтезу новой полипептидной цепи.