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.
Наличие аппарата сплайсинга наделяет эукариотные клетки дополнительной генетической гибкостью, связанной с тем, что сплайсинг одного и того же первичного транскрипта (особенно при наличии в гене нескольких интронов), осуществляемый разными способами, может привести к образованию нескольких молекул мРНК, кодирующих разные белки. Такая неоднозначность сплайсинга присуща и вирусам, например аденовирусам, ретровирусам, вирусу гепатита В и др. Геном аденовируса направляет синтез нескольких очень длинных РНК-транскриптов, каждый из которых содержит нуклеотидные последовательности, кодирующие целый ряд различных белков. У вируса иммунодефицита человека 9 генов кодируют 15 вирусспецифических белков. Таким образом, благодаря механизму сплайсинга обеспечивается повышение информационной емкости генома без увеличения его размера. Это особенно важно для вирусов, у которых размер генома жестко ограничен величиной вириона.
