Біосинтез білка здійснюється шляхом трансляції іРНК рибосомами - структурами, локалізованими у еукаріот в цитоплазмі, часто на розгалуженої внутрішньоклітинної мембранної мережі, званої ендоплазматичним ретикулумом. У прокаріотів рибосоми розкидані по всій клітці. Рибосоми складаються приблизно з 50 білків і 3-5 молекул рРНК, що розрізняються за молекулярною масою. Розмір рибосом зазвичай позначають в одиницях Сведберга (S), що відображають швидкість їх осадження при центрифугуванні. Незалежно від походження рибосоми складаються з двох субодиниць. У E.coli рибосоми мають коефіцієнт седиментації 70S. а більші рибосоми еукаріот- 80S. Оскільки в клітинах як про-, так і еукаріот число рибосом дуже велике, гениrrn, що кодують рРНК, представлені в ДНК у багатьох копіях. Так, уE.coli є по 5-10 копій таких генів, локалізованих в трьох різних районах хромосоми. У еукаріот гени, що кодують синтез рРНК, представлені в сотнях і навіть тисячах копій і тандемно повторюються (тобто розташовані безпосередньо один за одним) в районі ядерцевого організатора певних хромосом, або згруповані у вигляді тандемних повторів в інших ділянках генома.
Особливості та відмінності про- і еукаріотичних мРНК
Як зазначалося, багато прокариотические іРНК поліцістронной, тобто містять послідовності, що детермінують синтез декількох поліпептидів. Тому такі іРНК містять серію старт (ініціюють) - кодонів. Зазвичай на 5 '- кінці іРНК є лідерних послідовність з декількох сотень пар нуклеотидів, розташована перед першим старт-кодом. Крім того, кодон, від якого починається синтез наступного білка, розділений послідовністю з 5-20 пар основ званої спейсером (від англ. spacer- прокладка). Стоп-кодони часто розташовуються парами (наприклад, УАГ і УАА). За останніми стоп-кодоном на 3'-кінці мРНК розташовується не кодує білок послідовність, яка називається трейлером (від англ. Treiler - причіп). До складу лідерних ділянки входить послідовність 5 '-АГГАГГУ-3', що служить сигналом на ініціацію трансляції іРНК. Ця послідовність Шаїн-Далгарно, звана по імені її відкривачів, розташована на 4-7 підставі вліво від старт-кодону і, мабуть, забезпечує приєднання іРНК до рибосоми за рахунок зв'язування з 16SрРНК, на 3 '- кінці якої часто зустрічається послідовність, комплементарная послідовності Шаїн-Далгарно. Ефективність трансляції бактеріальних іРНК, позбавлених послідовності Шаїн-Далгарно, низька. Поряд з цим в зв'язуванні іРНК з рибосомами беруть участь і ряд білків
На відміну від короткоживучих прокариотических іРНК в клітинах ссавців близько 50% іРНК мають період напіврозпаду близько 6 годин і більше. Особливо стабільна еукаріотична іРНК в диференційованих клітинах, які синтезують спеціальні білки. У еукаріот іРНК завжди списується з одного, а не відразу з декількох генів, організованих у прокаріотів в Оперон. Стартовим кодоном служить АУГ і ніколи - ГУГ. Характерна особливість еукаріотичних іРНК- наявність «ковпачка», або кепа (від англ. Сар - ковпачок). «Кеп» являє собою гуанозин, атом вуглецю якого в 7 положенні несе метильную групу СН
У розкритті механізму трансляції важливу роль зіграла запропонована Криком (1958) гіпотеза, згідно з якою розпізнавання амінокислот в процесі синтезу білка відбувається не прямо шляхом взаємодії між ними і відповідними кодонами іРНК, а за участю проміжних молекул- адаптерів. Такі молекули дійсно були скоро відкриті. Ними виявилися тРНК. Ці невеликі (4 S) молекули довжиною 75-85 нуклеотидів мають характерну вторинну структуру у формі трилисника, що утворить внаслідок формування водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами в різних ділянках молекули. У цих ділянках тРНК мають дуплексну структуру. Три такі структури завершуються одноцепочечной петлею, всередині якої спаровування не відбувається. Одна з петель содержітантікодон - триплет, комплементарний якомусь кодону в мРНК. Структура деяких тРНК була вперше розшифрована р. Холлі (1965) в США і А. А. Баєв (1967) в СРСР. В результаті виявилася не тільки складна вторинна структура тРНК, але виявилося, що в їх первинну структуру входять незвичайні нуклеотиди (інозин, превдоурідін, метілгуанін і ін.), Що утворюються в ході посттранскрипційна модифікації тРНК.
Парування антикодону тРНК і відповідного йому кодону іРНК відбувається таким чином, що третє (3 ') підстава кодону зв'язується з 5'-підставою антикодону, наприклад кодон 5' - АМУ - 3 '---- зв'язується з антикодоном 3' - EWF-5 '. Однак з огляду на вирожденність коду може існувати кілька тРНК, які розпізнають різні кодони однієї амінокислоти, або ж антикодон певної тРНК здатний спаровуватися з декількома кодонами. Однак з огляду на вирожденність коду може існувати кілька тРНК, які розпізнають різні кодони однієї амінокислоти, або ж антикодон певної тРНК здатний спаровуватися з декількома кодонами. Міцні водневі зв'язку з антикодоном утворюють тільки перші два азотистих підстави.
При цьому завжди дотримується принцип комплементарності. В результаті третя підстава кодону починає «коливатися», тобто спаровуватися з різними, не обов'язково комплементарними підставами. Експеримент повністю підтвердив цю гіпотезу, яка називається гіпотезою «гойдалок» або уоббл-гіпотезою (від англ. Wobble- коливатися). Внаслідок утворення таких гойдалок антикодон однієї з тРНК здатний розпізнати від одного до трьох різних кодонів однієї амінокислоти. Разом з тим кожна амінокислота має 1-4 специфічні тРНК, до яких вона приєднується, утворюючи аміноацил-тРНК. Цей процес пов'язаний з витратою великої кількості енергії для утворення ефірного зв'язку між СООН-групою амінокислоти і ОН-групою рибози останнього підстави в тРНК, яким завжди є аденін.
Формування аміноацил-тРНК - двоетапний процес, що каталізує спеціальним ферментом- синтетазой. Кожна з 20 амінокислот має, принаймні, одну власну аміноацил-тРНК-синтетазу. Аміноацілірованная тРНК здатна «розпізнати» відповідний кодон в іРНК і підставити потрібну амінокислоту в нерухомість, що будується поліпептидний ланцюг в такому положенні, яке полегшить утворення пептидних зв'язків між сусідніми амінокислотами.
«Розпізнавання» кодону антикодоном контролюється рибосомами. Рибосоми рухаються уздовж іРНК в напрямку 5 '--- 3', зчитуючи кодони шляхом приєднання до них аміноацил-тРНК, що несуть відповідні Антикодон. До кожної іРНК приєднується одночасно кілька рибосом, розташованих уздовж її молекули на 90 нуклеотидів один від одного. Такий трансляційний комплекс називають полірібосомамі або полисомой. У бактерій полісоми набагато більші, ніж у еукаріот. Це, зокрема, пов'язано з тим, що у прокаріотів мРНК мають велику довжину (особливо в разі поліцістронной іРНК). Приєднання рибосом до іРНК відбувається до закінчення транскрипції. УE.coli кожна іРНК транслюється відразу 30 рибосомами в відрізку часу між її транскрипцією і деградацією. У еукаріот зазвичай до однієї іРНК приєднується менше 10 рибосом одночасно. В середньому в обох груп організмів полісоми відповідають величині синтезованого поліпептиду.
В рибосомах є два сайти зв'язування з тРНК. Один з них, А (або аміноаціальний) сайт: приєднує входить аміноацил-тРНК. ДругойР (пептідільний) - сайт, пов'язаний з тРНК попередньої амінокислоти зростаючого поліпептиду. При переміщенні рибосом уздовж іРНК аміноацил-тРНК переходить з А в Р-сайт в міру пересування відповідних кодонів іРНК. Розпізнавання кодон специфічності аміноацил-тРНК визначається входить до її складу тРНК, але не амінокислотою. Штучна заміна амінокислоти, прив'язаною до тРНК при незмінному антикодон, призводить до того, що тРНК підставляє під іРНК нову амінокислоту.
Як зазначалося, генетичний код містить кодони, що ініціюють синтез білка. У прокаріотів до ініціювання кодону (АУГ, рідше ГУГ) приєднується особлива инициаторного тРНК, що є формілметіоніл-тРНК. Це означає, що синтез будь-якого поліпептиду починається з модифікованого метіоніну. Надалі у багатьох поліпептидів цей кінцевий формілметіонін або формільная група отщепляются.
Процес трансляції поділяють на три стадії: ініціацію, елонгацію і терминацию. Стадія ініціації включає всі реакції, що здійснюються до формування пептидного зв'язку між першими двома амінокислотами. УE.coli ініціація включає всі реакції, що здійснюються до формування пептидного зв'язку між першими двома амінокислотами. УE. сoliот ініціації транскрипції гена до появи в клітці його іРНК проходить близько 2,5 хв, а відповідного білка - ще 30 сек. Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга відбувається в момент формування комплексу між іРНК, 30Sсуб'едініцей рибосоми і формілметіоніл-тРНК.
Стадія елонгації включає всі реакції від моменту утворення першої пептидного зв'язку до приєднання до синтезується поліпептид останньої амінокислоти. У прокаріотів етап елонгації йде дуже швидко; як зазначалося, при 37 о С в поліпептид за 1 сек. включається в середньому 15 амінокислот. Отже, якщо виходити з того, що розмір гена становить близько 1000 пар основ синтез кодованого їм білка з 300 амінокислот здійснюється всього за 20 сек. При цьому в синтезі білка беруть участь одночасно до 80% всіх клітинних рибосом. У еукаріот швидкість синтезу білка істотно нижче: за 1 сек. при 37 о С в ланцюг включаються лише близько 5 амінокислот. На стадії термінації трансляції повністю синтезований поліпептид звільняється від кінцевої тРНК, а рибосоми відходять від іРНК. Коли один з терминирующего кодонів (УАГ, УАА або УГА) виявиться в сайті А, весь комплекс розпадається: утворилася поліпептидний ланцюг разом з приєднаною до неї аміноацил-тРНК кінцевої амінокислоти відділяється від сайту Р, відповідна тРНК переходить у вільну форму, а рибосома дисоціює на дві вихідні субодиниці, здатні надалі до нового об'єднання шляхом самосборки.