Цикл элонгации протекает в 3 этапа:
Вновь поступающая аминоацил тРНК связывается с аминоацильным участком полного рибосомного комплекса, расположенного возле следующего по порядку кодона мРНК.
Для этого процесса связывания требуется ГТФ и специфический цитоплазматический белок (фактор Т).
В результате взаимодействия аминогруппы аминоацил тРНК образуется пептидная связь. Освобождающаяся транспортная РНК остается связанной в пептидильном участке. Для этого требуется фермент пептидилтрансфераза, который является частью субъединицы рибосомы.
На 3 этапе цикла элонгации пептидил тРНК физически перемещается с аминоацильного участка на пептидильный, вытесняя из него “пустую” тРНК. На этой стадии необходим специфический белок – фактор G. При каждом акте транслокации пептидил тРНК с рибосомой связывается новый комплекс фактора G с ГТФ. Одновременно с транслокацией пептидил тРНК происходит и транслокация мРНК вдоль рибосомы на один колдон.
Завершение синтеза полипептидной цепи и ее отделение от рибосомы происходит путем, отдельные этапы которого еще не изучены. Сигнал об окончании синтеза полипептидной цепи подается 3 специальными терминирующими кодонами в мРНК. Отделение полипептидил тРНК от рибосомы по достижении терминирующего кодона осуществляется при помощи специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Затем рибосома сходит с мРНК и после диссоциации на субъединицы может включаться в новый цикл.
Регуляция синтеза белка
Основным условием существования любых живых организмов является наличие тонкой, гибкой, согласованно действующей системы регулирования, в которой все элементы тесно связаны друг с другом. В белковом синтезе не только количественный и качественный состав белков, но и время синтеза имеет прямое отношение к многим проявлениям жизни.
Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное количество разнообразных белков, однако они никогда не синтезируют все белки. Количество и разнообразие определяется долей их участия в метаболизме. Синтез белка контролируется аллостерически. Регулируется внешними и внутренними условиями.
Жакоб и Мано сформулировали гипотезу, связывающую функционирование структурных и регуляторных генов. Эта гипотеза позволяет объяснить как индукцию, так и репрессию ферментов на основе одного механизма.Согласно этой гипотезе репрессия ферментов – основной процесс, тогда как индукция – снятие репресии.
Согласно теории Жакоба и Мано в биосинтезе белка участвуют 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор и ген-оператор.
Структурные гены определяют первичную структуру синтезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК служат основной матрицей для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому. Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК контролируется определенным участком, называемым оператором. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования структурных генов.
Структурный ген кодирует аминокислотную последовательность данного фермента, синтез этого фермента происходит только в том случае, если регуляторный ген не репрессирует его, т.е. этот ген неактивен. Для объяснения репресcии было постулировано, что регуляторный ген кодирует аминокислотную последовательность специфического белка, названного репрессором. Молекула репрессора диффундирует от рибосом, где она синтезируется и образует специфический комплекс с участием ДНК, соответствующим структурному гену того фермента, который контролируется репрессором. Согласно гипотезе, молекула репрессора содержит центр связывания, специфичный для участка ДНК. Молекула репрессора обычно находится в свободном (активном “ состоянии, в котором она связывается с оператором, подавляя транскрипцию структурного гена. Если же в клетке присутствует индуктор, то образуется неактивный комплекс репрессор-индуктор, который неспособен связываться со специфическим участком ДНК (оператором) и на способен ингибировать транскрипцию структурного гена. В результате начинается транскрипция структурного гена и происходит синтез фермента. Согласно гипотезе взаимодействие между репрессором и индуктором обратимо. Таким образом, молекула репрессора должна иметь 2 специфических центра связывания: один для индуктора и другой для оператора. Центр связывания с оператором активен только в том случае, если центр связывания с индуктором свободен. Для объяснения репресии было постулировано, что в таких системах молекула репрессора в свободном состоянии неактивна и становится активной после связывания с репрессирующим метаболитом, получившим название корепрессора. Комплекс репрессор-корепрессор связывается с операторным локусом соответственного гена и, таким образом, подавляет синтез матричной РНК.
Итак гипотеза Жакоба и Мано постулирует существование двух классов белковых репрессоров: один из них используется в индуцибельном, а другой – в репрессибельных системах. Оба типа репрессоров содержат по 2 участка связывания, один из которых специфичен для операторного локуса
Жакоб и Мано обобщили свою модель регуляции белкового синтеза для случая координированной репрессии, при которой один и тот же репрессор может подавлять синтез группы ферментов и для случая координированной индукции, при которой несколько ферментов могут быть индуцированы одним и тем же индуктором.
Таким образом, концентрация некоторых ферментов возрастает при добавлении субстратов этих ферментов, это явление называется адаптацией или индукцией фермента. Концентрация ферментов может уменьшаться в присутствии конечных продуктов реакций, катализируемых этими ферментами, этот эффект называется репрессией ферментов. Индукция и репрессия ферментов взаимосвязаны. Индукция – это снятие репрессии.
Индуцибельные и репрессибельные системы контролируются генами трех типов:
Это структурные гены, кодирующие аминокислотную последовательность фермента
Регуляторные гены, кодирующие белок-репрессор
Ген-оператор , с которым специфически связывается репрессор.
Молекулы индуцирующего агента обладают способностью специфически связываться с белком репрессором. Образующийся при этом комплекс репрессор индуктор уже не может взаимодействовать с оператором, что приводит к активации транскрипции структурного гена. Группа функционально взаимосвязанных генов называется опероном. Гены, входящие в состав данного оперона, активируются или репрессируются одновременно. Каждый оперон имеет оператор.
Деятельность оперона находится под контролем гена-регулятора. Поскольку структурные гены и ген-регулятор находятся на разных участках цепи ДНК, связь между ними осуществляется при помощи вещества посредника, репрессора. Репрессор имеет сродство к оператору и обратимо соединяется с ним в комплексе. Образование комплекса блокирует синтез мРНК, а следовательно синтез белка. Таким образом, функция гена –регулятора – “запрещать” деятельность оперона, синтезирующего мРНК. Репрессор обладает способностью строго специфически связываться с определенными низкомолекулярными веществами, называемыми индукторами или эффекторами. Когда такой индуктор соединяется с репрессором, последний теряет способность связываться с геном оператором, который выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК
В живых клетках должны функционировать точно запрограммированные механизмы, обеспечивающие нужные соотношения между количествами различных синтезируемых белков. Например, число ферментов, катализирующих реакции основного метаболического пути, должно превышать число молекул ферментов, ответственных за синтез коферментов, которые необходимы в следовых количествах. Возможность регуляции скорости синтеза различных ферментов позволяет клетке экономить РНК и белки.
Таковы теоретические модели и гипотезы о природе регуляторных процессов биосинтеза белка.
Генетический код
Одной из наиболее интригующих головоломок молекулярной биологии было выяснение вопроса каким образом четырехбуквенный “язык” ДНК, содержащий всего 4 разных азотистых основания (А,Г,Ц,Т) переводится на двадцатибуквенную речь белков через образование м РНК. Из чего состоит код? Код не может состоять из одного нуклеотида, поскольку только 4 аминокислоты могут кодироваться. Также код не может быть дуплетным, комбинация двух нуклеотидов из четырехбуквенного “алфавита” не может охватить всех АК, т.к. подобных комбинаций 16 (42=16), а в состав белка входят 20 АК.
Для кодирования всех АК белковой молекулы нужен триплетный код, где число возможных комбинаций – 64 (43=64). Генетический код для АК является вырожденным, это означает, что большинство АК кодируется несколькими кодонами. Вырожденность кода неодинакова для разных АК. Вырожденность чаще всего касается только третьего нуклеотида, в то время как почти для всех АК первые 2 нуклеотида являются общими. Она несет биологический смысл:, т.к. в процессе мутации различные АК могут быть заменены, наиболее ценные отбираются в процессе эволюции.
Другая отличительная черта генетического кода – отсутствие “знаков препинания”, т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами код является линейным, однонаправленным и непрерывающимся. Это обеспечивает синтез в высшей степени упорядоченной последовательности молекулы белков.
Третья существенная особенность кода состоит в том, что 3 триплета не кодируют аминокислоты, они используются в качестве окончания синтеза (терминации) полипептидной цепи.
Код универсален для всех живых организмов, от инфузорий до человека. Можно заключить, что “генетический язык” в основном, одинаков для всех видов, но возможны небольшие видовые отклонения, возникшие, вероятно, в процессе эволюции и дифференцировки.