Трансляция у прокариот

Трансля́ция у прокарио́т — процесс синтеза белка на матрице мРНК, происходящий в клетках прокариотических организмов. В отличие от аналогичного процесса у эукариот, в трансляции у прокариот принимает участие рибосома 70S, а первой (инициаторной) аминокислотой выступает формилметионин, а не метионин.

Строение прокариотической рибосомы

Основная статья: Рибосома
Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок (англ. aminoacyl-tRNA), Р — пептидил-тРНК-связывающий участок (англ. peptidyl-tRNA), Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы (англ. exit)

Принципиально строение прокариотической рибосомы не отличается от эукариотической, однако прокариотическая рибосома имеет меньшую массу: 2500 кДа против 4200 кДа у эукариот. И у тех, и у других рибосома состоит из большой и малой субъединиц, которые подогнаны одна к другой. Малая субъединица служит каркасом, на котором молекулы тРНК могут быть сопоставлены с кодонами мРНК, а большая субъединица катализирует образование пептидных связей между аминокислотами. Полная (70S) прокариотическая рибосома состоит из субъединиц 50S и 30S, которые состоят из молекул рибосомных РНК (рРНК) и белков. В состав большой (50S) субъединицы массой 1600 кДа входят 5S рРНК длиной 120 нуклеотидов и 23S рРНК[англ.] длиной 2900 нуклеотидов, а также 34 белка. Малую субъединицу (30S) массой 900 кДа составляет 16S рРНК длиной 1540 нуклеотидов и 21 белок. Две субъединицы объединяются на стадии инициации около 5'-конца мРНК и находятся в объединённом состоянии, только когда рибосома занята синтезом белка, а в остальное время отделены друг от друга. Рибосома бактериальных клеток работает быстрее, чем рибосома эукариот, и может присоединять 20 аминокислот в секунду. Рибосома содержит 4 сайта связывания с РНК: сайт связывания с мРНК, а также А-, Р- и Е-сайты, которые предназначены для связывания с тРНК[1]. Об их функциях и осуществляемых реакциях будет написано ниже.

Основные этапы

Трансляция (нажмите для просмотра)

Как и у эукариот, у прокариот выделяют три основных этапа трансляции: инициация, элонгация и терминация[2].

Инициация

Инициация трансляции у прокариот обслуживается белковыми факторами инициации IF (от англ. initiation factors). У бактерий существуют три фактора: IF-1[англ.], IF-2[англ.], IF-3[англ.]. IF-2 обладает ГТФазной активностью и играет важнейшую роль в связывании инициаторной аминоацил-тРНК (тРНК с присоединённой аминокислотой). Факторы IF-1 и IF-2 влияют на конформацию малой субъединицы, помогая ей связываться с тРНКfMet, переносящей формилметионин. Как правило, она связывается со старт-кодоном AUG, но иногда в роли старт-кодона выступает кодон CUG, кодирующий валин. Комплементарно спариваясь со старт-кодоном, тРНКfMet задаёт рамку считывания. Выбор старт-кодона осуществляется при связывании малой субъединицы с мРНК, причём инициаторная тРНКfMet связывается с малой субъединицей в комплексе с факторами инициации и ГТФ. Выбор стартового кодона у бактерий происходит с участием последовательности Шайна — Дальгарно — короткой последовательности длиной 5—8 нуклеотидов, обогащённой пуриновыми основаниями и комплементарно связывающейся с обогащённой пиримидинами областью 16S рРНК, входящей в состав малой субъединицы. Когда комплекс малой субъединицы с мРНК и тРНКfMet образовался, факторы IF-3 и IF-1 покидают его, уступая место большой субъединице, присоединение которой завершает сборку рибосомы прокариот. При присоединении большой субъединицы формируются Р- и А-сайты. Далее фактор IF-2 гидролизует ГТФ, и выделившаяся энергия расходуется на стабилизацию тРНКfMet в Р-сайте рибосомы[3].

Элонгация

Структура тройственного комплекса: EF-Tu (синий цвет), тРНК (красный) и ГТФ (жёлтый)

У бактерий в элонгации ключевую роль играют особые белковые факторы — EF-Tu[англ.] и EF-G[англ.], называемые факторами элонгации. Сначала EF-Tu одновременно связывает ГТФ и молекулы аминоацил-тРНК, образуя тройственный комплекс. Фактор EF-Tu обеспечивает точность трансляции несколькими способами. Во-первых, когда EF-Tu препровождает до рибосомы аминоацил-тРНК, он проверяет соответствие тРНК и несомой аминокислоты. Во-вторых, он отслеживает первичное взаимодействие между антикодоном подходящей аминоацил-тРНК и кодоном мРНК в А-сайте. Когда аминоацил-тРНК находится в комплексе с EF-Tu, связанным с ГТФ, то она изогнута так, что её антикодон может связаться с кодоном мРНК, но аминокислота не может быть включена в белковую цепь. Однако в случае правильного соответствия кодона и антикодона рибосома запускает быстрый гидролиз ГТФ, после которого EF-Tu отсоединяется от тРНК и рибосомы, так что аминокислота может быть включена в цепь[4]. Отделившийся EF-Tu, связанный с ГДФ, обменивает свой ГДФ на ГТФ при участии ещё одного фактора элонгации, EF-Ts[англ.], который катализирует отделение ГДФ от EF-Tu[5].

Вновь поступившая аминокислота, связанная с тРНК, оказывается в А-сайте рибосомы. В это время в Р-сайте рибосомы находится тРНК, к которой прикреплён синтезированный участок пептида (или инициаторная аминокислота). В Р-сайте рибосомы происходит пептидилтрансферазная реакция, при которой аминокислота из А-сайта присоединяется к пептиду. Таким образом, после этой реакции в Р-сайте оказывается пустая молекула тРНК, а в А-сайте находится тРНК, связанная с пептидом. После этого большая субъединица рибосомы смещается относительно малой на три нуклеотида, и пустая тРНК оказывается в Е-сайте, откуда она покидает рибосому и отправляется за следующей молекулой аминокислоты, а синтезированный пептид, связанный с тРНК, оказывается в Р-сайте; А-сайт же освобождается для новой аминоацил-тРНК. Смещение большой субъединицы (транслокация) требует гидролиза ГТФ, который осуществляет белок EF-G, связывающийся с опустевшим А-сайтом[4].

В элонгации участвует также фактор элонгации P (EF-P), который запускает движение рибосом, застрявших на участках, кодирующих последовательно несколько пролинов. Затруднения рибосом на таких участках связаны с тем, что при образовании пептидной связи пролин является плохим акцептором, когда он находится в А-сайте рибосомы, и плохим донором, когда он находится в P-сайте[6]

У первого на N-конце белка аминокислотного остатка формилметионина сначала отщепляется формильная группа при помощи пептид-деформилазы, затем N-терминальный метиониновый остаток отщепляется при участии метионин-аминопептидазы[7].

Терминация

У бактерий в терминации трансляции принимают участие три белковых фактора: RF-1, RF-2 и RF-3 (англ., RF — release factor), которые распознают стоп-кодоны в мРНК: RF-1 узнаёт кодоны UAG и UAA, а RF-2 распознаёт UAA и UGA. Фактор RF-3 выполняет вспомогательную работу. Трёхмерная структура RF-1 и RF-2 напоминает формой и распределением заряда тРНК и, таким образом, представляют собой пример молекулярной мимикрии[англ.][8]. Когда в А-сайт рибосомы попадает стоп-кодон, с ней связывается соответствующий RF-фактор и тем самым блокирует присоединение аминоацил-тРНК. Кроме того, в клетках обычно нет тРНК, комплементарных стоп-кодонам. RF стимулируют пептидилэстеразную активность рибосомы, что приводит к гидролизу связи между С-концом новосинтезированного пептида и тРНК. В результате белок удаляется из рибосомы, и она сама диссоциирует на большую и малую субъединицу. Терминация трансляции происходит с участием ГТФ, который выступает в роли аллостерического регулятора активности RF[9].

мРНК бактерий обычно полицистронны, то есть содержат несколько старт- и стоп-кодонов. Хотя рибосома бактерий и распознаёт терминирующие кодоны, она может продолжить движение по мРНК и начать трансляцию следующей кодирующей области[10].

Регуляция

Когда бактериальные клетки израсходуют все питательные вещества, имеющиеся в среде, они вступают в стационарную фазу и подавляют синтез белков. Этот переход регулируется несколькими процессами[11]. Например, у Escherichia coli рибосомы 70S образуют димеры 90S под действием маленького белка массой 6,5 кДа, известного как RMF (англ. ribosome modulation factor)[12][13]. Промежуточные рибосомные димеры могут далее связываться с белком HPF (англ. hibernation promotion factor) массой 10,8 кДа и далее образовать рибосомную частицу 100S, при которой поверхность димеризации представлена двумя 30S-субъединицами из двух димеризующихся рибосом[14]. Рибосомные димеры трансляционно неактивны[15]. Третий белок, который может связываться с рибосомами E. coli при вступлении в стационарную фазу, — YfiA (ранее известный как RaiA)[16]. HPF и YfiA структурно схожи, и оба белка могут связываться с каталитическими сайтами А и Р рибосомы. RMF мешает связыванию рибосом с мРНК, так как он предотвращает взаимодействие мРНК и 16S рРНК. Когда С-концевой домен YfiA мешает связыванию RMF, то предотвращается димеризация рибосом и образуются трансляционно неактивные мономерные 70S-рибосомы[17][18].

Механизм диссоциации рибосомы под действием RsfS (= RsfA)

Белок RsfS (ранее известный как RsfA или YbeB) блокирует соединение двух рибосомных субъединиц. RsfS связывается с L14 — белком большой рибосомной субъединицы, блокируя связывание её с малой субъединицей и тем самым замедляя или сводя на нет трансляцию. Белки RsfS встречаются у бактерий (но не архей), а их гомологи имеются в митохондриях и хлоропластах (где они называются C7orf30[англ.] и iojap соответственно). Однако пути регуляции экспрессии и активности RsfS неизвестны[19].

Ещё один фактор диссоциации рибосомы у E. coli — HflX, который активируется тепловым шоком и способствует диссоциации собранных рибосом, а также препятствует сборке несобранных. N-концевой домен HflX связывается с пептидилтрансферазным центром и вызывает значительные изменения в центральном межсубъединичном мостике, способствуя диссоциации рибосомы[20].

Антибиотики, влияющие на трансляцию у бактерий

Некоторые антибиотики оказывают свое действие, воздействуя на процесс трансляции. Механизмы трансляции у эукариот и прокариот имеют различия, позволяющие избирательно подавлять синтез белка в бактериях. Например, тетрациклин блокирует связывание аминоацил-тРНК с А-сайтом бактериальной рибосомы, а хлорамфеникол блокирует пептидил-трансферазную реакцию[21].

Примечания

  1. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 574—575.
  2. ↑ Коничев, Севастьянова, 2012, с. 313.
  3. ↑ Коничев, Севастьянова, 2012, с. 315.
  4. ↑ 1 2 Альбертс и др., 2013, с. 577, 579.
  5. ↑ Principles of Cell Biology (BIOL2060). Дата обращения: 3 октября 2017. Архивировано 5 августа 2020 года.
  6. ↑ Doerfel L. K. et al. EF-P is essential for rapid synthesis of proteins containing consecutive proline residue (англ.) // Science. — 2013. — Vol. 339, no. 6115. — P. 85-88. — doi:10.1126/science.1229017.
  7. ↑ Bingel-Erlenmeyer R. et al. A peptide deformylase–ribosome complex reveals mechanism of nascent chain processin (англ.) // Nature. — 2008. — Vol. 452, no. 7183. — P. 108-111. — doi:10.1038/nature06683. Архивировано 27 ноября 2021 года.
  8. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 586.
  9. ↑ Коничев, Севастьянова, 2012, с. 316—317.
  10. ↑ Коничев, Севастьянова, 2012, с. 317.
  11. ↑ Puri P., Eckhardt T. H., Franken L. E., Fusetti F., Stuart M. C., Boekema E. J., Kuipers O. P., Kok J., Poolman B. Lactococcus lactis YfiA is necessary and sufficient for ribosome dimerization. (англ.) // Molecular microbiology. — 2014. — Vol. 91, no. 2. — P. 394—407. — doi:10.1111/mmi.12468. — PMID 24279750. [исправить]
  12. ↑ Yamagishi M., Matsushima H., Wada A., Sakagami M., Fujita N., Ishihama A. Regulation of the Escherichia coli rmf gene encoding the ribosome modulation factor: growth phase- and growth rate-dependent control. (англ.) // The EMBO journal. — 1993. — Vol. 12, no. 2. — P. 625—630. — PMID 8440252. [исправить]
  13. ↑ Izutsu K., Wada C., Komine Y., Sako T., Ueguchi C., Nakura S., Wada A. Escherichia coli ribosome-associated protein SRA, whose copy number increases during stationary phase. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2001. — Vol. 183, no. 9. — P. 2765—2773. — doi:10.1128/JB.183.9.2765-2773.2001. — PMID 11292794. [исправить]
  14. ↑ Kato T., Yoshida H., Miyata T., Maki Y., Wada A., Namba K. Structure of the 100S ribosome in the hibernation stage revealed by electron cryomicroscopy. (англ.) // Structure (London, England : 1993). — 2010. — Vol. 18, no. 6. — P. 719—724. — doi:10.1016/j.str.2010.02.017. — PMID 20541509. [исправить]
  15. ↑ Wada A., Igarashi K., Yoshimura S., Aimoto S., Ishihama A. Ribosome modulation factor: stationary growth phase-specific inhibitor of ribosome functions from Escherichia coli. (англ.) // Biochemical and biophysical research communications. — 1995. — Vol. 214, no. 2. — P. 410—417. — doi:10.1006/bbrc.1995.2302. — PMID 7677746. [исправить]
  16. ↑ Agafonov D. E., Kolb V. A., Nazimov I. V., Spirin A. S. A protein residing at the subunit interface of the bacterial ribosome. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1999. — Vol. 96, no. 22. — P. 12345—12349. — PMID 10535924. [исправить]
  17. ↑ Polikanov Y. S., Blaha G. M., Steitz T. A. How hibernation factors RMF, HPF, and YfiA turn off protein synthesis. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2012. — Vol. 336, no. 6083. — P. 915—918. — doi:10.1126/science.1218538. — PMID 22605777. [исправить]
  18. ↑ Ueta M., Yoshida H., Wada C., Baba T., Mori H., Wada A. Ribosome binding proteins YhbH and YfiA have opposite functions during 100S formation in the stationary phase of Escherichia coli. (англ.) // Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms. — 2005. — Vol. 10, no. 12. — P. 1103—1112. — doi:10.1111/j.1365-2443.2005.00903.x. — PMID 16324148. [исправить]
  19. ↑ Häuser R., Pech M., Kijek J., Yamamoto H., Titz B., Naeve F., Tovchigrechko A., Yamamoto K., Szaflarski W., Takeuchi N., Stellberger T., Diefenbacher M. E., Nierhaus K. H., Uetz P. RsfA (YbeB) proteins are conserved ribosomal silencing factors. (англ.) // PLoS genetics. — 2012. — Vol. 8, no. 7. — P. e1002815. — doi:10.1371/journal.pgen.1002815. — PMID 22829778. [исправить]
  20. ↑ Zhang Yanqing, Mandava Chandra Sekhar, Cao Wei, Li Xiaojing, Zhang Dejiu, Li Ningning, Zhang Yixiao, Zhang Xiaoxiao, Qin Yan, Mi Kaixia, Lei Jianlin, Sanyal Suparna, Gao Ning. HflX is a ribosome-splitting factor rescuing stalled ribosomes under stress conditions // Nature Structural & Molecular Biology. — 2015. — 12 октября (т. 22, № 11). — С. 906—913. — ISSN 1545-9993. — doi:10.1038/nsmb.3103. [исправить]
  21. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 592.

Литература

  • Альбертс Б. Молекулярная биология клетки : в 3 т. / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис [и др.]. — М. — Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — Т. 1. — 808 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8.
  • Коничев А. С. Молекулярная биология / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 400 с. — ISBN 978-5-7695-9147-1.