лоты не вступают в непосредственное взаимодействие друг с другом. Связь между ними осуществляется при участии молекул транспортных РНК. Для каждой из 20 аминокислот существует не менее одного вида специализированной тРНК, которую в соответствии со специфичностью обозначают как тРНКРЬе, TPHKSer и т.п. (условные обозначения всех аминокислот приведены на рис. 10.13). Различные транспортные РНК отличаются друг от друга как по нуклеотидной последовательности, так и по содержанию некоторых необычных (минорных) нуклеотидов (рис. 11.4). Эти минорные нуклеотиды обнаруживаются только в тРНК и возникают в результате посттранскрипционной ферментативной модификации обычных оснований. Молекулы всех прокариотических и эукариотических тРНК содержат около 80 нуклеотидов и характеризуютРис. 11.4. Структура некоторых редких (минорных) оснований в составе молекул тРНК, возникающих в результате посттранскрипционной модификации, направляемой специализированными ферментами. Эти необычные основания придают молекулам тРНК некоторые из присущих им функций узнавания.

Рибоза Рк6оза

Риботимидин (Т) Псевдоуридин (у)

Рибоза Дигидроуридин (Uh)

ся очень сходной вторичной (и пространственной) структурой, которую можно схематически представить в виде конфигурации «клеверного листа», показанной на рис. 11.5. Соответствующая типичная пространственная структура одной из тРНК отражена в виде молекулярной модели на рис. 11.6.

Молекулы тРНК всех видов обладают двумя важнейшими структурными свойствами: 1) на З'-конце тРНК находится последовательность - рСрСрАон, которая служит специфическим сайтом ковалентного присоединения соответствующей аминокислоты, и 2) во внутренней области молекулы имеется петля, содержащая антикодон - тройку нуклеотидов, комплементарных соответствующему кодону.

Функциональное значение молекулы тРНК заключается в обеспечении специфического узнавания данного кодона соответствующей аминокислотой. тРНК выступает в роли своего рода опознавательного устройства, контролирующего точность процесса трансляции. Это опознавательное устройство срабатывает на двух важнейших этапах, коРис. 11.5. Типичная вторичная структура типа клеверного листа, характерная для молекул тРНК. Дигидроу-ридиновая (Uh) петля содержит несколько остатков дигидроура-цила. Показан способ присоединения аминокислоты (структурная формула аминокислоты выделена цветом).

A-C-CРис. 11.6. Молекулярная модель дрожжевой

Phe

тРНК , построенная на основании данных по дифракции рентгеновских лучей при прохождении через кристалл, образованный молекулами этой тРНК. На рисунке З'-ССА-конец находится справа вверху, а антикодоновая петля -внизу. (По Kim S.H. et al. 1974. Science, 185, 435 Copyright 1974 by the American Association for Advancement of Science.)

Аминоацил-тРНК -синтетаза

(О

н н

• " н ? О-ф-Аденозин

(2)

н н

H-N+-,', ? чО-фАденозин

НО ОН

тРНК-синтетаза

Рис. 11.7. Активация аминокислоты осуществляется аминоацил-тРНК-синтетазой (окрашенный овал) в два этапа. Образование богатой энергией аминоацильной связи (волнистая линия) обеспечивается за счет гидролиза АТР.

торые подробно обсуждаются в следующем разделе. Оба этапа необходимы для точной трансляции мРНК с образованием белкового продукта, аминокислотная последовательность которого в точности отражает нуклеотидную последовательность соответствующего участка ДНК.

Аминоацил-тРНК. Ковалентное связывание аминокислоты с молекулой соответствующей тРНК происходит при участии специфического фермента -аминоацил-тРНК синтетазы. Существует 20 видов ферментов этого типа-по одному для каждой из 20 аминокислот. Это сложным образом организованные ферменты, каждый из которых способен специфически узнавать вполне определенную аминокислоту и соответствующую тРНК и катализировать процесс ковалентного связывания ос-карбоксильной группы аминокислоты с З'-ОН-группой остатка адено-зина на —СрСрАон-конце тРНК. Этот процесс, который мы проиллюстрируем на примере одной из аминокислот-серина, протекает в две стадии.

Первая стадия-это активация аминокислоты (рис. 11.7): Серил-тРНК-синтетаза + серии + АТР

[серилацил-АМР]серил-тРНК-синтетаза + РР;

(напомним, что символом РР; обозначают молекулу пирофосфата). На этом этапе образуется серилацил-АМР - промежуточное соединение, содержащее энергетически богатую ковалентную связь и существующее в виде молекулярного комплекса с ферментом.

На втором этапе (см. рис. 11.7) происходит перенос активированной аминокислоты на З'-ОН-конец соответствующей тРНК. При этом высокая энергия связи серилацил-АМР переходит к возникающей связи серил-тРНК&сг и далее используется для образования пептидной связи.

[Серилацил-АМР]серил-тРНК-синтетаза + тРНК861 ^

серил- тРНК^ + серил-тРНК-синтетаза + AMP.

Аминоацил-тРНК-синтетазы играют ключевую роль в обеспечении тех процессов, благодаря которым генетическая информация, столь аккуратно передающаяся в неизменном виде от поколения к поколению, столь же точно выражается и на этапе трансляции. Очевидно, что точность процесса трансляции должна зависеть от того, с какой точностью каждая аминоацил-тРНК синтетаза сможет из всего набора аминокислот выбирать одну определенную аминокислоту и присоединять ее к соответствующей тРНК. Важное значение для обеспечения точности трансляции имеют дополнительные ферментативные функции, присущие аминоацил-тРНК-синтетазам. Одну из этих функций, которую можно назвать контролирующей [verification function), мы проиллюстрируем на следующем примере. Представим себе, что изолейцил-тРНК-синтетаза случайно узнает «чужую» тРНК и за счет этого вместо изолейцил-тРНК11е образуется, например, изолейцил-тРНКРЬе. Такая ошибка могла бы привести к ошибочному включению в синтезируемую белковую цепь остатка фенилаланина вместо изолейцина. Однако оказывается, что фенилаланил-тРНК-синтетаза может «опознать» неправильный ассоциат между «своей» тРНК и «чужой» аминокислотой и гидролизовать его до свободных изолейцина и тРНКРЬе.

Другая корректирующая функция {proofreading function) отличается от рассмотренной выше, и ее можно проиллюстрировать следующим примером. Допустим, что на стадии активации аминокислоты изолейцил-тРНК-синтетаза ошибочно принимает валин за изолейцин:

Изолейцил-тРНК-синтетаза + валин + АТР -*•

[валилацил-АМР]изолейцил-тРНК-синтетаза + РР,

Тогда на следующем этапе при взаимодействии возникшего «неправильного» комплекса с тРНК11е (см. рис. 11.7) вместо образования валил-тРНК11е индуцируется гидролиз валилацил-АМР до валина и AMP:

[Валилацил-АМР]изолейцил-тРНК-синтетаза + тРНК11е ->

валин + тРНК11е -(- изолейцил-тРНК-синтетаза + AMP.

Таким образом, аминоацил-тРНК-синтетазы действительно играют важнейшую роль в процессе трансляции генетической информации, связывая определенные аминокислоты с соответствующими антикодо-нами. Кроме того, благодаря дополнительным контролирующим и корректирующим функциям эти ферменты обеспечивают высокую точность трансляции, всякий раз подвергая соответствие между антикодоном и аминокислотой по крайней мере еще одной дополнительной проверке. Так, если в приведенном выше примере частота «ошибочной» активации аминокислоты при действии изолейцил-тРНК-синтетазы составляет 1 валин на 100 молекул изолейцина, а наблюдаемая ошибка коррекции не выше 1 на 180, то общая ошибка трансляции не будет превышать 1/100-1/180= 1/18000.

Рис. 11.8. Схематическое изображение структуры рибосомы Е. coli. (По Watson J.D. 1976. Molecular Biology of the Gene, 3rd ed., W. A. Benjamin, Menlo Park, Calif.)

200 A

< >

j ,„s I

( Mr=» 2,7 x Ю6)

(Mr* 1,8 * 106)

((M,«0,9x Ю6)

50S

30S

« в

в

* #

* # •

* •

32 специфических рибосомных белка

21 специфический рибосомный белок

Образование пептидной связи. Следующий этап биосинтеза белка после образования аминоацил-тРНК заключается в их «расстановке по порядку» и замыкании пептидных связей между соответствующими аминокислотами. Процесс расстановки осуществляется с помощью рибосом в соответствии с последовательностью кодонов в мРНК. Рибосомы представляют собой крупные нуклеопротеидные структуры, в которых три основные цепи рРНК находятся в комплексе с набором специфических рибосомных белков (рис. 11.8). Рибосомы состоят из двух субъединиц. У бактерий это так называемые 30S- и 508-субъединицы (S-константа Сведберга, используемая в качестве единицы размера, который оценивают по скорости седиментации частиц в растворе при центрифугировании). Рибосомные субъединицы эукариот обычно несколько крупнее (40S и 60S). Целые рибосомы, образующиеся при взаимодействии большой и малой субъединиц, характеризуются значениями констант седиментации 70S (бактерии) и 80S (эукариоты).

Хлоропласты и митохондрии эукариотических клеток располагают своими собственными рибосомами, которые по размеру ближе к прока-риотическим, чем к цитоплазматическим рибосомам эукариот. Большая часть ДНК, обнаруживаемой в хлоропластах и митохондриях, содержит информацию о структуре компонентов их собственной системы биосинтеза белка.

Рис. 11.9. Структура метионина и N-фор-милметионина.

сн2

S—сн

s—сн

Метионин (Met)

/V -Формилметионин (ШеО

Синтез всех полипептидных цепей протекает в направлении от N-конца к С-концу и всегда начинается с метионина. У некоторых полипептидов инициирующий N-концевой остаток метионина отщепляется еще до завершения синтеза всей цепи. Инициация синтеза полипептидной цепи всегда происходит при участии тРНКМе1 особого типа, обозначаемой тРНК|^ег. В бактериях NH2-rpynna инициирующего метионина блокируется формильной группой (рис. 11.9) с образованием Ы-формилметионил-тРНК,Ме*. Сразу же после начала синтеза цепи происходит отщепление формильной группы. В то же время у эукариот инициирующий остаток метионина в метионил-тРНК^' не формилиро-ван. Как в прокариотах, так и в эукариотах остатки метионина, находящиеся внутри полипептидной цепи, переносятся тРНКМе1 второго типа. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается с присоединения малой рибосомной субъединицы к соответствующему центру связывания на