Второй этап – образование очередной пептидной связи. Карбоксильный конец растущего пептидила отделяется в Р-участке от молекулы донорной тРНК (т. е. тРНК, несущей пептидил) и образует пептидную связь с аминокислотой, присоединенной к молекуле акцепторной тРНК (т. е. служащей акцептором для растущего пептидила) в А-участке (см. формулу на с. 69).
Третий этап – транслокация. Образовавшаяся новая пептидил-тРНК переносится из А-участка в Р-участок рибосомы, а сама рибосома продвигается вдоль мРНК ровно на один кодон (три нуклеотида). Это событие требует затраты энергии. Движущей силой транслокации служит ряд конформационных изменений, вызываемых в одном из белков рибосомы в результате гидролиза связанной с ним ГТФ. В момент транслокации происходит отделение освободившейся во время второго этапа от пептидила в Р-участке тРНК и возвращение ее в цитоплазму. По завершении третьего этапа рибосома возвращается в состояние, аналогичное исходному. Ее А-участок свободен и может принять новую молекулу аа-тРНК, отбираемую очередным кодоном мРНК, т. е. рибосома может снова повторить цикл элонгации.
Рис. 26. Схематическое изображение основных фаз элонгации, протекающей на рибосомах
Объяснение в тексте (по Б. Альбертсу [и др.])
Таким образом, каждый цикл работы рибосомы означает присоединение одной аминокислоты (трансляцию одного кодона). В ходе элонгации рибосома совершает последовательно столько циклов, сколько кодонов она транслирует, т. е. сколько аминокислот она включает в полипептидную цепь.
Терминация трансляции – процесс завершения синтеза полипептидной цепи и освобождение ее из связи с последней донорной тРНК и с рибосомой. Функцию сигнала, означающего конец трансляции цистрона мРНК, выполняет один из 3 кодонов – УАА, УАГ и УГА. Эти триплеты не кодируют ни одной из 20 аминокислот («стоп-кодоны»). После завершения трансляции происходит отделение от рибосомы не только полипептидной цепи и тРНК, но и мРНК, и диссоциация 70S рибосомы на 50S и 30S субъединицы.
Помимо стоп-кодонов, в этих реакциях принимают участие различные белковые факторы освобождения, а также обе субъединицы рибосомы.
Вновь синтезированная полипептидная цепь отделяется от рибосомы, когда рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов. Со стоп-кодоном, поступившим на А-участок, в этом случае связывается не антикодон аа-тРНК, а особый белок – фактор освобождения. В результате его присоединения происходит изменение активности расположенного по соседству фермента пептидилтрансферазы. Измененный фермент присоединяет к пептидил-тРНК не свободную аминогруппу аминокислоты, а молекулу H2O. Это приводит к гидролизу сложноэфирной связи между С-концевым карбоксилом пептидила и 3'-рибозы ЦЦА последней донорной тРНК. В результате гидролиза полипептид, удерживаемый на рибосоме только посредством его связи с молекулой тРНК, отделяется от рибосомы. Это влечет за собой отделение от рибосомы последней донорной тРНК, освобождение мРНК и диссоциацию 70S рибосомы на ее 30S и 50S субъединицы.
Модификация полипептидной цепи
Заключительным этапом биосинтеза белка является модификация полипептидной цепи, вслед за которой белковая молекула приобретает свою окончательную структуру и конформацию, определяющую ее функциональные свойства.
Реакция модификации чаще всего сводится либо к отделению только формильной группы метионина (у бактерий), и тогда N-концевой аминокислотой становится метионин; либо к отделению метионина (у животных) или формила и метионина (у бактерий), и тогда N-концевой становится аминокислота, располагающаяся вслед за метионином (формилметионином). В реакции модификации участвуют специальные ферментные системы – пептиддеформилаза (отделяет формильную группу от формилметионина), аминопептидаза (отщепляет метионин) или другие ферменты.
Реакции модификации осуществляются уже после освобождения полипептидной цепи из рибосомы.
В связи с тем что у бактерий хромосомы и плазмидные ДНК располагаются в цитоплазме и не отграничены от нее никакими мембранами, процессы транскрипции, трансляции и деградации мРНК протекают одновременно, т. е. трансляция мРНК может начинаться раньше, чем завершится транскрипция, а деградация мРНК начинается раньше, чем закончится ее полная трансляция.
Определение скорости биосинтеза белка у бактерий, проведенное с помощью различных методов, показало, что она соответствует включению рибосомой в полипептидную цепь в 1 с при температуре 37 °C 15 – 30 аминокислот.
Это означает, что рибосома продвигается вдоль мРНК со скоростью 45 – 90 нуклеотидов в 1 с. Следовательно, время для выбора каждой очередной аа-тРНК из среды и включения ее в полипептидную цепь, т. е. время полного рабочего цикла рибосомы, составляет около 0,03 – 0,06 с. За этот короткий срок на рибосоме осуществляется серия сложных и взаимообусловленных событий, обеспечивающих высокую точность процесса трансляции. Все это говорит о существовании специфических и надежных систем регуляции биосинтеза белка на уровне не только транскрипции, но и трансляции.
Синтез всех компонентов белоксинтезирующей системы, в том числе рибосом, контролируется соответствующими генами. Существенно, что у бактерий имеется по нескольку копий оперонов рибосомальных РНК, например, у E. coli их шесть. Это позволяет бактериям значительно изменять скорость биосинтеза рРНК, а следовательно и рибосом, в зависимости от условий среды. Поэтому содержание рибосом у них не является постоянным, а может варьировать, например, у E. coli от 10 тыс. до 100 тыс. и более на клетку. Чем богаче среда, тем больше в клетке синтезируется рибосом. Для бактерий характерна следующая фундаментальная закономерность: общая интенсивность биосинтетических процессов (а следовательно, и скорость роста) определяется суммарной скоростью биосинтеза белка, а она, в свою очередь, непосредственно зависит от содержания в клетке рибосом. Поэтому регуляция содержания рибосом является одним из важнейших механизмов, с помощью которых осуществляются адаптация бактерий к изменяющимся условиям среды и эволюционное сохранение видов бактерий в природе.
Таким образом, основными особенностями метаболизма бактерий являются: высокая интенсивность обмена веществ, разнообразие типов метаболизма, способность к саморегуляции активности биосинтетических процессов в зависимости от условий существования. Кроме того, гены бактерий, в отличие от генов вирусов и эукариот, не содержат интронов, поэтому у бактерий отсутствует процесс сплайсинга при синтезе мРНК.
Сплайсинг мРНК (англ. splice – сращивать) – сложный процесс, при котором происходит вырезание интронов (некодирующих последовательностей у генов, имеющих интрон-экзонную структуру) из первичных РНК-транскриптов и сшивание экзонов, в результате которого образуется и затем транслируется зрелая мРНК.
Размер интронов у эукариот варьирует приблизительно от 100 до 10 000 нуклеотидов. Основное отличие интронов от экзонов (кодирующих последовательностей) состоит в том, что большую часть нуклеотидов интрона можно искусственно изменить, не нарушая функции гена.
На каждом из концов интрона находятся короткие нуклеотидные последовательности (почти одинаковые у всех интронов), которые служат сигналами для сплайсинга РНК. Предполагается, что вырезание интронов и сращивание экзонов происходит с участием специфических последовательностей РНК, называемых донорными (5'-конец) и акцепторными (3'-конец) контактами (сайтами) сплайсинга. Процесс выщепления интрона должен происходить с большой точностью, так как ошибка, которая приведет к появлению хотя бы одного неправильного нуклеотида, вызовет изменение рамки считывания и, следовательно, структуры белка или прекращение трансляции из-за образования стоп-сигнала.
Сплайсинг в ядре протекает с участием особых малых ядерных рибонуклеопротеиновых частиц (мяРНП), или частиц U1. Эта частица содержит небольшую молекулу РНК длиной 165 нуклеотидов, в составе которой имеются последовательности, комплементарные нуклеотидным последовательностям пограничных экзон-интронных и интрон-экзонных сайтов молекулы первичного РНК-транскрипта. Благодаря комплементарному спариванию оснований РНК U1 и РНК-транскрипта происходят сближение донорного и акцепторного сайтов, затем их разрывы и воссоединение цепи в области донорного и акцепторного контактов, формирование единой молекулы зрелой РНК и выщепление интронных последовательностей.
