Однонаправленность и неперекрываемость, сигналы терминации. Отсутствие комплементарности между нуклеотидами мРНК и аминокислотами

Свойства см. предидущий вопрос

Генетического кода неперекрываемость

Код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований ABCDEFGHI первые три основания, ABC, кодируют аминокислоту 1, DEF - аминокислоту 2 и т.д. Если бы код был перекрывающимся, то последовательность ABC кодировала бы аминокислоту 1, CDE - аминокислоту 2 и т.д. Неперекрывающийся характер кода относится только к случаю, когда рамка считывания не меняется. В коде отсутствуют "запятые", т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.

Если генетический код читается неперекрывающимися триплетами, возможны три способа трансляции нуклеиновой кислоты в белок, в зависимости от стартовой точки, т.е. три рамки считывания. Последовательность нуклеотидов, записанная условно в направлении от 5'-конца к 3'-концу, соответствует аминокислотной последовательности, записанной в направлении от N-конца к C-концу.

Кодоны терминации (стоп-кодоны)

Триплеты UAG, UAA и UGA являются кодонами-терминаторами, на которых синтез белка останавливается. Ни для одного из кодонов- терминаторов не найдено соответствующей тРНК. Это исключает возможность механизма терминации с участием специальной тРНК, которая узнает терминатор для прекращения белкового синтеза. Вместо этого существуют сигнальные белковые факторы, которые вступают в действие как раз в тот момент, когда рибосома доходит до кодона-терминатора. Таким образом, терминирующие кодоны являются знаками пунктуации, механизм действия которых отличается от механизма действия кодонов, детерминирующих аминокислоты.

Кодон терминации обязательно присутствует в конце кодирующей части каждой природной мРНК. Вне рамки считывания триплеты UAA, UAG и UGA в пределах кодирующей последовательности мРНК встречаются часто. Поэтому обычно случайный сдвиг рамки в процессе элонгации не может привести к синтезу очень длинного неправильного полипептида и чаще всего приводит к скорой терминации этой неправильной трансляции. В некодирующих участках мРНК, включая межцистронные участки полицистронных РНК, частота терминирующих триплетов обычно также высока.

Терминирующий триплет в рамке считывания может появиться в кодируюшей части мРНК в результате мутации. Например, замена G на A в триптофановом кодоне (UGG) приводит к появлению либо UAG, либо UGA; замена C на U в глютаминовых кодонах (CAA и CAG) приводит к появлению либо UAA, либо UAG. Такие мутации называются "бессмысленными" (nonsense); появление UAG обозначается как " янтарная" мутация, UAA - " охровая ", а UGA - "опал". Другая мутация, изменяющая антикодон какой-либо тРНК так, что он становится комплементарным nonsense-кодону может привести к супрессии nonsense-мутации.

В митохондриальном генетическом коде кодоны-терминаторы другие.

Митохондриальный генетический код для млекопитающих отличается от основного в части терминирующих кодонов: кодон UGA не терминирующий, а связывает триптофановую тРНК, т.е. кодирует, как и UGG, триптофан. С другой стороны, кодоны AGA и AGG являются терминирующими, а не кодируют аргинин. Таким образом кодоны UAG, UAA, AGA и AGG являются терминаторами в митохондриях млекопитающих.

Прямое отношение к механизмам передачи наследственной информации имеет процесс трансляции, означающий перевод "четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибуквенную речь белков". Другими словами, трансляция сводится к синтезу белка в рибосомах; в этом синтезе последовательность расположения нуклеотидов в мРНК определяет первичную структуру белка, т.е. строго упорядоченную последовательность расположения отдельных аминокислот в молекуле синтезируемого белка.

ТРНК как адаптер осуществляющий перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Взаимодействие кодонов мРНК с антикодонами тРНК. Биосинтез аминоацил-тРНК. Субстратная специфичность аминоацил-тРНК-синтетаз. Изоакцепторные тРНК.

Адапторная функция тРНК

Между аминокислотами и нуклеотидами (или триплетами нуклеотидов) невозмож­ны специфические, комплементарные взаимодействия по типу образования нук-леотидных пар А«»Т (или A«»U) и G«»C. Поэтому было сделано предположение о существовании молекул-адапторов, каждая из которых может взаимодействовать с определенным кодоном — с одной стороны, и с определенной аминокислотой — с другой стороны. В 1957 г. такие молекулы обнаружены, ими оказались транспорт­ные РНК (тРНК). Очевидно, что для адаптирования 20 разных аминокислот нуж­но не менее 20 разных тРНК: для каждой аминокислоты своя. Эти тРНК обо-

значают следующим образом: тРНКala тРНКhis, тРНКval и т. д. (аланиновая тРНК, гистидиновая тРНК и т. д.). Однако, по­скольку код вырожденный, число разных тРНК больше 20.

Аминоацил-тРНК-синтетазы. Вза­имодействие тРНК с аминокислотами — ферментативный процесс, приводящий к образованию ковалентной связи меж­ду аминокислотой и тРНК. Такие соеди­нения называют аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Аминокислота присоединяется к З'-концу нуклеотидной цепи тРНК, где имеется последовательность А—С—С—, общая для всех тРНК; при этом образует­ся сложноэфирная связь за счет карбок-

сильной группы аминокислоты и З'-гидроксильной группы концевого остатка адениловой кислоты в тРНК (рис. 4.14).

Эта связь имеет высокоэнергетический характер, так что образование аа-тРНК можно рассматривать как активацию аминокислоты. Реакции аминокис­лот с тРНК нуждаются в энергии (используется АТФ) и катализируются аминоа-цил-тРНК-синтетазами:

Аминокислота + тРНК + АТФ -► аа-тРНК + АМФ + Н₄Р₂0₇

Для каждой аминокислоты имеется по крайней мере одна аминоацил-тРНК-синтетаза, хотя для некоторых аминокислот существуют изоферменты, так что общее количество аминоацил-тРНК-синтетаз больше 20. Каждый из этих фермен­тов катализирует реакцию только одной из 20 аминокислот с тРНК, соответству­ющей этой аминокислоте. Например, аланил-тРНК-синтетаза катализирует реак­цию аланина с аланиновой тРНК:

Алании + тРНКala + АТФ - А1а-тРНКala + АМФ + Н₄Р₂0₇

Таким образом, аминоацил-тРНК-синтетазы должны иметь в активном центре участок, комплементарный одной из аминокислот, и участок, комплементарный какой-то части молекулы одной из тРНК. Именно вследствие такой субстратной специфичности каждая аминоацил-тРНК-синтетаза «узнает» и «выбирает» из сме­си двадцати аминокислот и нескольких десятков тРНК определенную пару — ами­нокислоту и соответствующую ей тРНК, и соединяет эту пару.

Взаимодействие аа-тРНК с мРНК. Взаимодействие аа-тРНК с кодоном мРНК обеспечивается тем, что в одной из петель молекулы тРНК имеется триплет нуклеотидов, комплементарный какому-нибудь кодону. Такой триплет называют антико-доном. Образование аа-тРНК можно сравнить с изготовлением двойного шриф­та, например, для перевода знаков азбуки Морзе в знаки буквенного алфавита.

Располагая двойным шрифтом, легко прочитать текст, записанный аз­букой Морзе: достаточно расставить шрифт на телеграфной ленте соответственно знакам азбуки Морзе.

Во время элонгации полипептидных цепей в процессе трансляции не все участки мРНК транслируются с одинаковой скоростью. Рибосомы в процессе трансляции мРНК могут задерживаться на кодонах, соответствующих минорным изоакцепторным тРНК, присутствующим в клетке. В этом случае внутриклеточная концентрация изоакцепторных тРНК лимитирует весь процесс трансляции.

Кодоны, соответствующие минорным изоакцепторным тРНК, А.С. Спирин предлагает называть модулирующими, поскольку они могут изменять скорость трансляции соответствующих мРНК. Чем больше модулирующих кодонов в мРНК, тем медленнее она транслируется. Клетка может изменять эффективность трансляции определенных мРНК путем адаптации внутриклеточных концентраций изоакцепторных тРНК к числу модулирующих кодонов этих мРНК. Показано, что во время интенсивного синтеза фиброина в шелкоотделительных железах тутового шелкопряда внутриклеточный спектр изоакцепторных тРНК сильно меняется и становится идеально соответствующим потребностям белоксинтезирующего аппарата клеток, осуществляющего трансляцию мРНК фиброина.

Белок-синтезирующая бесклеточная система. Последовательность событий при образовании полипептидной цепи на рибосоме: инициация, элонгация и терминация. Пептидилтрансферазная активность рРНК. Функционирование полирибосом.

ТРАНСЛЯЦИЯ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИНТЕЗУ БЕЛКА В БЕСКЛЕТОЧНОЙ СИСТЕМЕ

Непосредственное отношение к механизмам передачи наследственной ин­формации, или экспрессии генов, имеет процесс трансляции, означающий перевод «четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибук-венную речь белков». Другими словами, трансляция сводится к синтезу белка в рибосомах. В этом процессе только последовательность рас­положения нуклеотидов в мРНК определяет первичную структуру белка, т.е. строго упорядоченную последовательность расположения отдельных аминокислотных остатков в молекуле синтезируемого белка.

Остановимся на анализе тех условий, которые необходимы для осу­ществления синтеза белка в бесклеточной системе. В современных пред­ставлениях о синтезе белка выдающуюся роль сыграли три эксперимен­тальных подхода, разработанные в начале 50-х годов. Во-первых, в клас­сических исследованиях П. Замечника и сотр. при использовании меченых аминокислот был впервые решен вопрос о месте синтеза белка; им ока­залась рибосома. При введении крысам ¹⁵N-аминокислот и определении радиоактивности белков в различных субклеточных фракциях печени, по­лученных методом дифференциального центрифугирования через различ­ные промежутки времени, было показано, что радиоактивная метка в первую очередь появляется во фракции микросом и лишь затем в других субклеточных образованиях. Во-вторых, добавление АТФ к белоксинте-зирующей системе цитозоля вызывало «активирование» аминокислоты и связывание ее с термостабильной и растворимой формой РНК, впо­следствии названной транспортной (тРНК), что приводило к образованию комплекса, названного позже аминоацил-тРНК. Ферменты, катализиру­ющие этот процесс, сейчас называются аминоацил-тРНК-синтетазами. В-третьих, выяснена роль самих адапторных РНК в процессе трансляции.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск других ком­понентов белоксинтезирующей системы.

Белоксинтезирующая система включает набор всех 20 амино­кислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных тРНК, обладающих специфичностью к определенному ферменту и определенной аминокислоте; набор минимум 20 различных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз, также обладающих двойной специфичностью к какой-либо определенной аминокислоте и к одной тРНК; рибосомы (точнее, полисомы, состоящие из 4–12 монорибосом с присоединенной к ним мРНК); АТФ и АТФ-генерирующую систему ферментов; ГТФ, принимающий специ­фическое участие в стадиях инициации и элонгации синтеза белка в рибосомах; ионы Mg²⁺ в концентрации 0,005–0,008 М; мРНК в качестве главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующегося в рибосоме; наконец, белковые факторы, участвующие в синтезе на разных уровнях трансляции.

Функционирование рибосом

Реальный процесс синтеза белков совершается при участии рибосом и ряда дру­гих факторов. Рибосомы содержат ферменты и другие белки, обеспечивающие взаимодействие между мРНК и аа-тРНК, образование пептидной связи и отделе­ние готового белка. Весь процесс образования пептидной цепи можно разделить на три стадии: инициация, элонгация и терминация.

Инициация. Синтез белка начинается с образования инициирующего комп­лекса. Поступившая из ядра в цитоплазму мРНК соединяется с малой (40S) субъединицей рибосомы и инициирующей аа-тРНК, роль которой при син­тезе любого белка выполняет Met-tPHKmet. Меt-tРНКmet взаимодействует своим антикодоном с кодоном AUG на мРНК. Этот кодон называют инициирующим, с него начинается синтез любого белка (однако если этот кодон находится не в на­чале мРНК, то он кодирует включение в белок метионина). Затем к этому комп­лексу присоединяется большая (60S) субъединица рибосом (формируется полная рибосома). Met-tPHKmet взаимодействует с пептидильным центром большой субъединицы рибосомы. В образовании инициирующего комплекса участвуют внерибосомные белки — факторы инициации (около десят­ка разных белков); после образования комплекса они вновь переходят в цитозоль.

Элонгация. Этот сложный процесс удобнее рассматривать, выделив в нем от­дельные фазы: связывание очередной аминоацил-тРНК, образование пептидной связи и транслокация:

а) Связывание аа-тРНК1. К инициирующему комплексу присоединяется аа-тРНК, соответствующая первому кодону мРНК (следующему за иницииру­ющим кодоном). В нашем примере это кодон валина. Вал-тРНКval взаимо­действует с мРНК (своим антикодоном) и с аминоацильным центром рибосомы (центр А). Связывание аа-тРНК сопряжено с расходованием энергии — используется одна молекула ГТФ. В этой реакции участвует внерибосомный белок, фактор элонгации EFI.

б) Образование пептидной связи. Остаток метионина с Меt-тРНКmet переносит­ся на аминогруппу остатка валина в Вал-тРНКval. При этом получается дипеп-тидил-тРНКval (Мет-Вал-тРНКval), связанный с кодоном валина (GUU) и с центром А рибосомы.

в) Транслокация. Рибосома перемещается на один кодон в сторону З'-конца мРНК. При этом тРНКmet освобождается из комплекса, а дипептидил-тРНК оказывается в области пептидильного центра рибосомы, но по-пре­жнему связана с кодоном Вал. Центр А после транслокации оказывается свободным, расположенным в области третьего кодона, и может прини­мать новую аминоацил-тРНК, соответствующую этому кодону. При трансло­кации расходуется энергия, источником которой служит ГТФ (две молеку­лы). Здесь также участвует внерибосомный белок — фактор элонгации EF2.

Дальнейшее удлинение пептидной цепи происходит путем повторения этих фаз: к освободившемуся при транслокации центру А присоединяется Про-тРНКpro (в нашем примере), соответствующая следующему кодону мРНК (ССА в нашем приме­ре, ко дон пролина). Затем дипептидильный остаток с тРНКval переносится на ами­ногруппу пролина, т. е. образуется вторая пептидная связь (получается трипептидил-тРНК),ит.д.

Скорость элонгации значительна: синтез пептида из 100 аминокислот занима­ет примерно 2 мин.

Остаток метионина, участвующий в инициации и занимающий в растущей пептидной цепи N-концевое положение, отщепляется при участии специфичес­кой пептидгидролазы еще во время элонгации (однако в некоторых белках сохра­няется).

Терминация. Удлинение пептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосомы не встретится один из терминирующих триплетов РНК — UAA, UAG или UGA. В области этих триплетов при участии внерибосомных белков — факторов терминации — происходит гидролитическое расщепление связи между пептидом и последней тРНК, и освобождается готовый белок.

Полирибосомы

При образовании инициирующего комплекса рибосо­ма присоединяется к 5'-концу мРНК и в ходе трансля­ции перемещается в направлении 3'-конца. По мере ос­вобождения 5'-конца к мРНК присоединяются новые рибосомы, на которых тоже начинается рост пептид­ной цепи. Каждая рибосома занимает участок РНК длиной примерно в 30 кодонов. На молекуле мРНК может поместиться несколько рибосом; такие структу-

ры называют полирибосомами. Чем длиннее пептидная цепь кодируе­мого белка, тем длиннее молекула РНК и тем больше рибосом в полирибосоме.

Посттрансляционный процессинг белков, частичный протеолиз, присоединение небелковых компонентов, модификация аминокислот, формирование пространственной конформации мономерных и олигомерных молекул.

В результате трансляции не всегда сразу образуется функционально активный белок. Во многих случаях необходимы дополнительные посттрансляционные из­менения.

Например, молекула инсулина построена из двух пептидных цепей, соединен­ных между собой двумя дисульфидными мостиками. В геноме челове­ка содержится ген препроинсулина; в результате действия этого гена образуется препроинсулин — предшественник инсулина. Синтез препроинсулина происходит на полирибосомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом. Препроинсулин проникает в люмен ретикулума, где от него отщепляется лидирующая последова­тельность — N-концевой фрагмент, содержащий 24 аминокислотных остатка. Об­разовавшийся проинсулин (86 остатков) перемещается в люмене к аппарату Гольджи, где упаковывается в секреторные гранулы. В пластинчатом комплексе и секре­торных гранулах происходит превращение проинсулина в инсулин. В этом участвуют две эндопептидазы: они расщепляют связи Arg32-Glu33 и Arg65-Gly66. Затем С-концевые остатки Arg и Lys отщепляются карбоксипептидазой; этот фермент есть во многих других органах, где участвует в процессинге ряда гормо­нов и нейромедиаторов.

Сходным образом, т. е. путем частичного протеолиза, активируются многие белки.

Присоединение простетической группы с образованием сложных белков и объединение протомеров олигомерных белков также относятся к посттрансляци­онным изменениям. В некоторых белках после завершения синтеза пептидной цени происходит модификация аминокислотных остатков, например превращение пролина и лизина в гидроксипролин и гидроксилизин в коллагенах, метилирова­ние аргинина и лизина в гистонах, йодирование тирозина в тироглобулине.

Образование пространственной структуры белков

Вторичная и третичная структуры белков формируются в процессе трансляции по мере удлинения пептидной цепи. Пространственная структура белка, конечно, определяется его первичной структурой, однако в условиях живой клетки, и осо­бенно по причине высокой концентрации белков, возникают помехи для правиль­ной укладки пептидной цепи. В процессе трансляции отдельные сегменты уже синтезированной части пептидной цепи могут взаимодействовать друг с другом, не испытывая влияния еще не готовой части пептидной цепи, поэтому могут об­разоваться неправильные пространственные структуры. Кроме того, синтезиру­ющаяся пептидная цепь может взаимодействовать с другими белками цитозоля. Выбор правильной пространственной структуры происходит при участии белков шаперонов. Шапероны-70 имеют на поверхности глобулы гидрофобные участки, которые взаимодействуют с гидрофобными участками растущей пептидной цепи, защищая ее от неправильных взаимодействий. Кроме того, неправильно сверну­тая пептидная цепь может быть исправлена при участии шанеронинового комп­лекса, построенного из шаперонов-60.

Таким образом, конформация пептидной цепи определяется ее первичной структурой. С другой стороны, в результате формирования вторичной и третич­ной структур образуются активные центры белков. Следовательно, можно ска­зать, что в генах закодирована информация о строении активных центров белков.

Транскрипция и трансляция происходят во все фазы клеточного цикла; лишь во время митоза резко замедляется синтез многих белков, но ускоряется синтез тех белков, которые участвуют в процессе митоза.