р. Поэтому рассмотрение современных представлений о структуре рибосомы логично завершить данными о функциональной модели рибосомы (Г. Виттман и др., 1974), где показаны ее функциональные центры (рис. 98).

Механизм биосинтеза белка в рибосоме. Схема, иллюстрирующая механизм биосинтеза белка в рибосоме, представлена на рис. 99. Она

288

Рис. 96. Пространственная структура 70S рибосомы кишечной палочки (модель):

ЗОБ-субчастица—спереди; ее размеры: длила— —23 нм, ширина—12 нм; SOS-субчастица—сзади; ее размеры во всех направлениях около 20— 23 нм; боковые выступы (палец—справа и боковая доля—слева) содержат белки L7/L12 и Ы соответственно. Субчастицы ассоциированы «головка к головке» и боковой выступ к боковой доле («платформа к L-ребру»). ЗОБ-субчастица закрывает только часть 505-субчастицы, оставляя свободным район, примыкающий к L7 1Л2-стержню, где, вероятно, размещаются функционально важные центры рибосомы. По-видимому, при ассоциации 30S и 50S субчастиц в области впадины между головкой и телом ЗОБ-субчастицы и основанием центрального протуберанца 50S-субчастицы возникает отверстие (зазор), предназначенное, как полагают, для размещения молекулы мРНК

Рис. 97. Пространственная структура 308-субчастицы рибосомы кишечной палочки:

А —морфологическая модель; Б— расположение белков и РНК в соответствии с моделью (белки, находящиеся па задаем плане, заштрихованы)

30S

SOS

П-центр А-центр •оооооооооооооооо S10 S19 %

П-центр

ПТаза

А-центр

мРНК

аа аминокислотный остаток ПТаза Пептидилтрансфераза • ••••• П-центр (пептидильный центр)

оооооо А-центр (аминоацильный центр)

____I Пептидилтрансфераэный центр

ГТФазный центр

EF—Ти -связывающий центр

EF—G -связывающий центр |---|

i___J Зона считывания информации

Рис. 98. Функциональная модель рибосомы 70S кишечной палочки

10—3502

289

11

суммирует представления о матричном биосинтезе белка, сложившиеся на основании его изучения у бактерий, в частности у кишечной палочки. Из схемы видно, что биосинтез белка складывается из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Инициация биосинтеза белка у бактерий происходит при участии трех белковых факторов инициации—IF-1, IF-2 и IF-3 (Initiation Factors 1, 2 и 3). IF-3 представлен белком с М=21 ООО—23500. Он вызывает конформационные изменения в 30S субчастице рибосомы, способствующие связыванию ею IF-1, IF-2, ГТФ, мРНК и формилметионил-тРНК. Присоединение последней обеспечивает поступление в рибосомальный аппарат клетки первой, N-концевой аминокислоты, а именно—формилметионина, которым открывается полипептидная цепь любого белка, синтезируемого у бактерий. Впоследствии N-концевой остаток формилметионина в результате посттрансляционных изменений белка может отщепляться. тРНК, переносящая формилметионин в процессе белкового синтеза у бактерий, отличается от тРНК, осуществляющей перенос метионина в процессе сборки полипептидной цепи, т. е. существуют тРНКфмет и тРНКмет:

Метионил-тРНК Формилметионил-тРНК

Именно IF-3 присоединяется первым к 30S субчастице рибосомы, открывая этап инициации белкового синтеза и изымая 30S субчастицу рибосомы из пула свободных 30S и 50S субчастиц рибосом, возникающих в процессе диссоциации рибосом 70S. Он же способствует созданию на субчастице 30S мРНК-связывающего центра.

IF-1 и IF-2 представляют белки с молекулярными массами 8900—9400 и 90000—118000 соответственно. IF-1 стимулирует процесс связывания фактора IF-2 с 30S субчастицей рибосомы и способствует присоединению к ней мРНК. IF-2 играет центральную роль в связывании формилметиониновой тРНК с субчастицей 30S и в гидролизе гуанозинтрифосфата. Последний необходим для осуществления инициации биосинтеза белка, хотя полностью его функция в этом процессе еще не выяснена.

Присоединение IF-1, IF-2, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице осуществляется в виде комплекса (см. рис. 99). Как только оно произойдет, к ней же присоединяется мРНК, причем в результате взаимодействия антикодона формилметиониновой тРНК с кодоном мРНК (им является триплет АУГ) предопределяется такое расположение мРНК на рибосоме, которое обеспечивает далее считывание содержащейся в последовательности ее нуклеотидных остатков информации о первичной структуре синтезируемого белка. Таким образом, именно формилметиониновая тРНК помогает мРНК найти на 30S субчастице ту позицию, которая необходима для трансляции информации о последовательности аминокислотных остатков в белке, и именно в этом заключается ее значение в инициации белкового синтеза у бактерий. У эукариот эту функцию часто выполняет тРНКмет, но опять специфичной структуры, которая отличается от структуры тРНКмет, переносящей остатки метионина в процессе элонгации белкового синтеза.

Вместе с тем сейчас показано, что гораздо большее значение для стабилизации необходимого расположения мРНК в 30S субчастице имеет присутствующая в ней

290

Инициация + IF, V

^Z^+(^IFiD.IF20rro)

T

IF3 V

1Р20+ГДФ+Ри

^8

30 S субчастица

/ \ 50 S субчастица

f~j—пептидильный центр

\|-^ мРНК

f деацилированная тРНК • формилметиониновый остаток ° аминокислотный остаток

полипептид

Элонгация EF-Tu-ГТФ

Ш+ЕР-0+ГДФ,Ж>

EF-O+ГТФ-' ,

4?

Т рминация RF|, RF2, RFj

Трвнслогшмя

т

+EF-G +Г ДФ EF-G +ГТФ

Рис. 99. Схема биосинтеза белка у кишечной палочки (пояснение в тексте):

три главных этапа матричного биосинтеза белка—инициация, элонгация и терминация—выделены рамками; белковые факторы инициации и элонгации указаны условными значками, приведенными непосредственно на схеме; часть условных обозначении дана отдельно в верхнем правом углу рисунка

последовательность Шайна—Дальгарно (короткая—ААГГА или длинная— УААГГАГГ), взаимодействующая с комплементарным фрагментом на З'-конце 16S рРНК и находящаяся на расстоянии от 5 до 13 н. о. от стартового АУГ кодона.

Присоединение мРНК к комплексу, состоящему из 30S субчастицы, факторов инициации и ГТФ сопровождается высвобождением фактора инициации IF-3, выполнившего присущую ему функцию (см. рис. 99). Комплекс, включающий теперь в свой состав еще мРНК, жадно притягивает 50S субчастицу и соединяется с ней, образуя 70S рибосому, причем IF-1 в этот момент покидает рибосому, так как он тоже выполнил свою роль: стабилизацию в рибосоме мРНК. Сохранившийся еще в возникшей 70S рибосоме IF-2, связанный с ГТФ, обеспечивает ускорение реакции распада ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат и высвобождается из рибосомы вместе с продуктами

291

гидролиза ГТФ. Выделяющаяся при гидролизе ГТФ энергия, видимо, необходима для осуществления конформационных перестроек в рибосоме 70S, в результате чего формилметионил-тРНК стабилизируется в пептидильном центре рибосомы (см. 1-ю фазу элонгации на рис. 99). Такая рибосома способна теперь вести сборку полипептидной цепи белка заданной структуры, вследствие чего ее называют транслирующей (активной) рибосомой. В транслирующей рибосоме идет, следовательно, процесс элонгации белкового синтеза.

В клетках эукариот инициация рибосомального белкового синтеза идет тоже при участии эукариотических факторов инициации (elF—eukaryotic Initiation Factors). Их насчитывается девять: eIF-1, eIF-2, eIF-З, eIF-4A, eIF-4B, eIF-4C, eIF-4D, eIF-5 и eIF-6. Все они, за исключением eIF-2 и eIF-3, представлены одиночными полипептидами с М от 15000 (eIF-1) до 160000 (eIF-5). Фактор eIF-2, по-видимому, является димером (М = 86О0О; а-субъединица— 38000; Р-субъединица—48000); eIF-З состоит из нескольких субъединиц при суммарной молекулярной массе более 500000.

Из девяти перечисленных белковых факторов абсолютно необходимы для инициации биосинтеза белка у эукариот eIF-2, eIF-З и eIF-5, а остальные факторы усиливают функции этих трех. Фактор eIF-2 взаимодействует своей Р-субмдини-цей с метионил-тРНК, а а-субъединицей—с ГТФ, образуя комплекс с субчастицей 40S. Его деятельность контролируется фосфилированием а-субъединицы при участии специфической протеинкиназы. Фактор eIF-З тоже присоединяется к субчастице 40S, что сопровождается возникновением на ней мРНК-связыва-ющего центра и стабилизацией связи с нею комплекса eIF-2 • метионил-тРНК • ГТФ. После присоединения мРНК к субчастице 40S по мРНК-связыва-ющему центру она, при участии фактора eIF-5, энергично притягивает 60S субчастицу, происходит выброс всех присоединенных ранее, в том числе и eIF-5, белковых факторов, гидролиз ГТФ и закрепление метионил-тРНК в пептидильном центре возникшей активной, способной осуществлять трансляцию рибосомы 80S. Фактор eIF-б обеспечивает диссоциацию 80S рибосомы на субчастицы 40S и 60S, высвобождая 40S субчастицу для нового цикла инициации.

Элонгация биосинтеза белка в бактериальной клетке обслуживается тремя белковыми факторами элонгации: EF-TU, EF-TS и EF-G (элошационные факторы трансляции трех типов—и, s и G). У млекопитающих два фактора элонгации: TF-1 и TF2 (трансляционные факторы первый и второй). EF-TU (М=47 000) и EF-TS (М = 35000) бактерий соответствует TF-1 (М= 186000) млекопитающих, a EF-G бактерий—TF-2 (М = 70000) млекопитающих. EF-G кишечной палочки имеет молекулярную массу 77321,45 и представлен полипептидом (701 аминокислотный остаток), первичная структура которого выяснена.

Процесс элонгации начинается со связывания аминоацил-тРНК, содержащей аминокислотный остаток, который должен быть вторым с N-конца молекулы синтезируемого в рибосоме белка. У бактерий эта аминоацил-тРНК образует комплекс с EF-TU и ГТФ, в виде которого она присоединяется к аминоацильному центру транслирующей рибосомы в соответствии с кодом белкового синтеза (см. ниже), т. е. благодаря взаимодействию комплементарных триплетов анти-кодона тРНК и кодона мРНК, локализованного против аминоацильного центра рибосомы (см. рис. 98 и 99). У млекопитающих это происходит при участии TF-1.

По современным данным, не только кодон—антикодоновое взаимодействие предопределяет отбор соответствующих аминоацил-тРНК для сборки полипептидной цепи. В этом участвует вся молекула тРНК, так как поеттран-сляционная модификация сильно изменяет ее способность акцептироваться рибосомой. В процесс декодирования вовлекаются и белки рибосомы: S4, S9, S13, L2 и L7. Два последних, будучи локализованы в пептидильном центре рибосомы, образуют с двумя молекулами тРНК тетрамерный комплекс.

292

И аминоащш-тРНК, и ГТФ связываются с EF-T„ за счет свободных HS-групп остатков цистеина его молекулы, причем первичная структура центра связывания ГТФ (и ГДФ соответственно) на протяжении 42 аминокислотных остатков расшифрована. Активность EF-!TU регулируется фосфорилирова-нием и взаимодействием с ррГрр'.

Благодаря расщеплению ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат амино-ацил-тРНК сближается с формилметионил-тРНК, локализованной в пепти-дильном центре рибосомы, a EF-TU в комплексе с ГДФ и неорганический фосфат выносятся из рибосомы. EF-TU • ГДФ-комплекс при взаимодействии с EF-TS и ГТФ преобразуется в EF-T„ • ГТФ-комплекс, способный соединяться со следующей молекулой аминоацил-тРНК (см. рис. 99).

В пептидильном центре между формилметионил-тРНК и аминоацил-тРНК происходит реакция, благодаря которой остаток формилметионина переносится на свободную NH2-rpymry аминокислотного остатка, являющегося составной частью аминоацил-тРНК. В результате возникает дипептидил-тРНК, т. е. замыкается первая пептидная связь в будущей молекуле белка, а также образуется деацилированная тРНК*мет (см: рис. 99). Этот процесс получил название реакции транспептидирования. Он ускоряется соответствующим ферментом, причем транспептидазная активность присуща рибосомным белкам L16, L11 и L6 и, вероятно, фрагменту 23S рРНК (см. рис. 98).

Пептидил-тРНК на следующей фазе элонгации переносится на место тРНКфмет в пептидильном центре рибосомы, а последняя удаляется из него, перемещаясь в iT-центр рибосомы, из которого она затем вытесняется очередной аминоацил-тРНК и выносится из рибосомы.

Эта ступень элонгации называется транслокацией и происходит при участии EF-G у бактерий и TF-2 у эукариот, а также сопровождается непременным гидролизом еще одной молекулы ГТФ (см. рис. 99). В результате транслокации дипептидил-тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы, тогда как ее аминоацильный центр полностью освобождается и готов теперь принять новую аминоацил-тРНК вкупе с EF-TU или TF-1 и ГТФ. Особенно важно, что при транслокации пептидил-тРНК перемещается в пептидильный центр рибосомы вместе с молекулой мРНК, с которой она связана благодаря антикодон-кодоновому взаимодействию (см. рис. 98). Это перемещение идет точно на один триплет нуклеотидных остатков, т. е. напротив аминоацильного центра оказывается следующий по порядку кодон молекулы мРНК, предопределяющий, какая аминоацил-тРНК вступит в аминоацильный центр рибосомы и явится источником очередного аминокислотного остатка в новообразуемом белке.

Терминация белкового синтеза в рибосоме осуществляется тоже при участии трех белковых факторов: RF-1, RF-2 и RF-3 у бактерий и единственного белкового фактора—R—у высших организмов (от англ. recognize—узнавать). В клетке кишечной палочки насчитывается примерно по 500 молекул этих белков. Белковые факторы RF-1 и RF-2 имеют молекулярную массу по 45000 и способны распознавать в молекуле мРНК терминирующие сборку полипептидной цепи кодоны: фактор RF-1—УАГ и УАА, а фактор RF-2—УАА и УГА. Фактор RF-3 (его называют также S-протеин) стимулирует действие факторов RF-1 и RF-2.

Как только в аминоацильном центре рибосомы после очередной транслокации терминирующий кодон молекулы мРНК займет соответствующее место, к нему присоединяется один из факторов терминации RF-1 или RF-2.

1 РРЛ?Р—3 '-гшрофосфо-гуанозин-5 '-пирофосфат.

293

Этим блокируется возможность присоединения молекулы аминоацил-тРНК, тем более, что терминирующим кодонам не соответствует ни один из антико-донов в тРНК. Присоединение к мРНК фактора RF-I или RF-2 возбуждает пептидилэстеразную активность рибосомальных белков, в частности белков LI 1 и L16, локализованных в 50S субчастице (см. рис. 98), вследствие чего гид-ролизуется сложноэфирная связь между новообразованным полипептидом и тРНК. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее. Одновременно освобождаются тРНК и мРНК, а рибосома 70S распадается на субчастицы 30S и 50S, поступающие в общий фонд рибосом и их субчастиц, откуда они черпаются для нового цикла биосинтеза белковой молекулы (см. рис. 99). В терминации биосинтеза белка по матричной схеме принимает участие молекула ГТФ. У бактерий она служит аллостерическим регулятором активности белковых факторов терминации, а у животных распадается на ГДФ и неорганический фосфат.

Долгое время считали, что у эукариот—единственный распознающий терминирующие кодоны фактор (eRF). Он был охарактеризован (50 кДа) и секвенирован. Однако недавно описана группа родственных ему белков, названных eRFl. Эти белки выделены из человека, лягушки и дрожжей, секвенированы (428, 437 и 437 аминокислотных остатков соответственно), взаимодействуют с тремя терминирующими кодонами и ГТФ-независимы, что делает контроль терминации биосинтеза белков более надежным:

Мультиэ