Белки. Биосинтез белка, регуляция. Патология обмена белков, страница 6

 Таким образом, благодаря триплет-триплетному связыванию (кодон-антикодоновому взаимодействию) между мРНК и тРНК в рибосоме, транслокация тРНК каждый раз приводит к протягиванию цепи мРНК относительно рибосомы ровно на три нуклеотида. Рибосома  перемещает тРНК однонаправленно из А-участка на Р-участок, перемещение цепи иРНК оказывается тоже однонаправленным. В процессе элонгации оно может происходить только в направлении от 5'- к 3'-концу цепи. В целом получается, что при элонгации рибосома работает как лентопротяжный механизм, перемещая с помощью тРНК цепь мРНК относительно себя с шагом по три нуклеотида. Важно отметить, что в процессе этого перемещения рибосома расплетает все попадающиеся на ее пути двуспиральные участки и более сложные элементы вторичной и третичной структуры мРНК.
У прокариот (бактерий) ДНК не отделена мембраной от цитоплазмы и рибосом,  и трансляция начинается на цепях иРНК во время ее синтеза на  ДНК. Следует отметить четкую временную слаженность этих двух процессов. Молекулы РНК-полимеразы синтезируют цепи иРНК, начиная от 5'-конца РНК в направлении к 3'-концу, а рибосомы присоединяются к  5'-концевым участкам иРНК, инициируют трансляцию и двигаются в процессе элонгации по направлению к молекуле полимеразы.Такое явление получило название сопряженной транскрипции-трансляции. В бактериальных клетках скорость синтеза РНК (транскрипции) - около 30-45 нуклеотидов в секунду при 37⁰С, а скорость трансляции - около 10-15 триплетов в секунду, т.е. один триплет нуклеотидов синтезируется приблизительно за то же время, за которое он прочитывается и образуется одна пептидная связь. У эукариот сопряжение транскрипции и трансляции невозможно.  ДНК (хромосомы) эукариот отделены от цитоплазмы, содержащей рибосомы, ядерной мембраной. Поэтому иРНК у эукариот  синтезируется полностью в клеточном ядре  и  затем транспортируется  в цитозоль, где и встречается с рибосомами. Для инициации трансляции иРНК  эукариот требуется не только 5'-конец мРНК, но и готовая 3'-концевая часть, являющаяся "усилителем" инициации. В отличие от бактерий скорость элонгации у эукариот варьирует в широких пределах, обычно от 1 до 10 триплетов в секунду, в зависимости от типа клеток, их физиологического состояния и природы транслируемой мРНК

Постепенно перемещаясь по  иРНК  и удлиняя полипептидную цепь, транслирующая рибосома доходит до конца кодирующей последовательности и встречается с одним из трех триплетов, не кодирующих аминокислоты и обозначаемых как терминирующие или  стоп-кодоны - УАГ, УАА или УГА ( их называли также  незначащими, или бессмысленными, кодонами). После заключительной  транслокации пептидил тРНК на Р-участок рибосомы, на  А-участке устанавливается  терминирующий кодон и  в дело вступают специальные белки, называемые факторами терминации, или факторами освобождения (release factors, RF). Один из них, RF1 (или похожий на него RF2), взаимодействует непосредственно с кодоном терминации в А-участке, а другой, RF3, при содействии первого и с участием ГТФ - с большой субъединицей  рибосомы  и, возможно, непосредственно с пептидилтрансферазным центром. Результатом связывания этих факторов с рибосомой является активирование  гидролазной активности пептидилтрансферазного  центра рибосомы,  катализирующего  реакцию взаимодействия полипептидил-тРНК (донорный субстрат) с молекулой воды  (акцепторным субстратом):

Связь между синтезированным полипептидом (его С-концом) и тРНК гидролизуется и полипептид покидает  рибосому.

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 иРНК: она может задержаться на ней и в случае полицистронных мРНК у прокариот  проскользнуть по цепи мРНК до начала следующей кодирующей последовательности и инициировать новую трансляцию (реинициация). Так как малая субчастица до инициации слабо удерживается на иРНК, 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 иРНК.

Во время элонгации происходит и еще одно важное событие, оказывающее существенное влияние на будущую жизнь молекулы. Это формирование пространственной структуры

Поскольку в процессе элонгации новый аминокислотный остаток добавляется к  С-концевой  аминокислоте  пептида,  то по мере синтеза N-конец  пептида все более отодвигается от пептидилтрансферазного центра рибосомы. На рибосоме  может  разместиться  не более 10-30 аминокислотных остатков растущего полипептида, а полипептидные цепи синтезируемых рибосомой белков состоят из 100-300 аминокилот . 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 окружающую  среду. В ней  полипептидная цепь  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.  Сворачивание полипептида в компактную структуру происходит, таким образом, полярно, от N-конца к С-концу. Такое постепенное полярное сворачивание растущей полипептидной цепи на рибосоме обозначается как котрансляционное формирование структуры белка.  В других  случаях белок, синтезируемый рибосомой и  используемый  в других компартментах клетки  необходимо перенести через мембрану либо вне клетки, либо в одну из внутриклеточных органелл. Транспорт такого  белка через мембрану требует несвернутого состояния его полипептидной цепи. В этом случае могут быть  использованы  две альтернативные возможности: 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 чаперонами . Чапероны 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 чаперонами 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 формируют свои пространственные структуры   в составе указанных структур и комплексов. Об этом подробнее в следующем разделе.