Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

ые по хромосомам генетические элементы. Лауреат Ленинской премии (1976) и Государственной (1983) премии СССР.

418 «сращивать концы тросов». Этот процесс обусловлен сложным

- строением большинства эуквриотических генов, в которых кодирую

Нуклеиновые кислоты щая последовательность не является непрерывной, как в мРНК, а

разобщена вставками декодирующих последовательностей, называемых нитронами как это показано на рисунке 237. Таким образом, в обычном гене эу кари оти чес кого организма кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются некодирующими последовательностями (интронами). Первичный продукт транскрипции — гяРНК содержит и экзоны, и нитроны. Для образования мРНК из нее необходимо убрать интроны и соединить экзоны в непрерывную кодирующую последовательность. Это и происходит в процессе сплайсинга.

Метилирование мРНК также является одной из ступеней про-цессинга В результате этой модификации мРНК содержит в среднем приблизительно один остаток 6 метиладенина (т А) на каждые 400 остатков А.

Претерпевшая процессинг мРНК в виде нуклеопротеидного комплекса покидает ядро через поры в ядерной мембране и поступает в цитоплазму для трансляции. В эукариотической клетке вся РНК, за исключением транспортной, содержится в виде нуклео-

протеидных комплексов. Так, зрелая мРНК в ядре связана с определенным набором белков, называемых информоферами (Г. П. Георгиев), и в комплексе с ними переносится в цитоплазму, где формируются другие мРНК-содержашие ри бо ну клео протеид ные частицы— информосомы (А. С. Спирин, Л. П. Овчинников).

В составе информосом мРНК защищена от клеточных нуклеаз и время жизни ее достаточно велико по сравнению с мРНК в прока риотических клетках.

Роль белков, связанных с м РНК, а также функция поли (А) -концов, как, впрочем, и «кзп» структур на 5 конце, еще далеко не ясна. Например, в ряде случаев наблюдается укорочение поли (А) в цитоплазме, а некоторые мРНК (например, мРНК гистоион) вообще лишены этой последовательности. Таким образом, к настоящему моменту основные пути экспрессии генов эукариот представляются только в самом общем виде и предстоит еще долгая кропотливая работа, чтобы выяснить детали механизма процесса.

419

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Трансляция

Важным этапом на пути экспрессии гена является трансляция синтезированной мРНК. Трансляция —сложнейший многоступенчатый процесс синтеза полипептидной цепи согласно информации, заключенной в последовательности нуклеотидов мРНК. Трансляция осуществляется на рибосоме, н нее вовлечены также белковые факторы, GTP и аминоацил-тРНК — молекулы тРНК, несущие активированные аминокислоты. Как и другие процессы матричного синтеза, процесс трансляции условно делят на три стадии: инициация, элонгация и терминации

При инициации происходит специфическое связывание рибосомы с мРНК и с первой аминоацил-тРНК, называемой инициатор-ной, в результате чего образуется комплекс, способный к синтезу белка,— инициаторный комплекс. При элонгации осуществляется последовательное связывание аминоацил-тРНК с образованием пептидных связей по программе, задаваемой последовательностью кодонов в мРНК. Термииация представляет собой отщепление готовой белковой цепи от трансляционного комплекса. Все этапы синтеза белка осуществляются при участии специальных белковых факторов, которые называются соответственно факторами инициации IF, элонгации — EF и терминации RF. Энергия для процесса трансляции черпается при гидролизе GTP.

В ходе трансляции нуклеотидная последовательность м Р НК считывается в направлении от 5'- к З'-концу. Считывание происходит по законам генетического кода, согласно которым каждой аминокислоте соответствует триплет нуклеотидов (кодон), каждый кодон кодирует только одну аминокислоту, а последовательность кодонов в мРНК определяет аминокислотную последовательность синтезируемого белка. Функцию узнавания кодона осуществляет не сама аминокислота, а молекула тРНК, к которой она присоединена и которая содержит последовательность нуклеотидов, комплементарную кодону,— анти кодон. Иными словами, тРНК служит адаптером, обеспечивающим соответствие между кодоном и кодируемой им аминокислотой. Наличие адаптора — основное отличие трансляции, как процесса матричного синтеза, от транскрипции и репликации, в которых продукт имеет ту же химическую природу, что и

Ниренберг (Nlrenberg[ Маршалл Уоррен (р. 1927), американский биохимик Окончил университет в Майами (1948). с 1962 г.— заведующий лабораторией биохимической генетики Линговского национального института сердца в Бе-тес д е. Ему принадлежат основополагающие труды по расшифровке генетического кода. Синтезировал и испытал все 64 теоратически возможных тринунлеотида, укомплектовал кодовый словарь. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1968, совместно с Р. Холли и Г. Кораной).

420

Нуклеиновые кислоты

V

Оно* |OchoaJ Севере (р. 1905), американский биохимик испанского происхождения. Образование получил в университетах Малаги и Мадрида, в настоящее время руководит Центром молекулярной биологии Мадридского университета. Автор фундаментальных работ по биохимии нуклеиновых кислот, изучению ферментативных превращений углеводов и жиров. Впервые осуществил (1955) ферментативный синтез РНК. Внес большой вклад в расшифровку генетического кода. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1959, совместно с А. Корн бергом).

матрица. Адапторная гипотеза биосинтеза белка была сформули ронана Ф- Криком в 1958 г.

Генетический код един для всех организмов. Он содержит 64 кодона — число возможных сочетаний из четырех нуклеотидов по три (рис 238). Три кодона UAG, UGA н LAA не кодируют аминокислоты, а являются сигналами окончания белкового синтеза. Они называются бессмысленными (nonsense) или стоп-кодо-нами. Остальные триплеты (61) —это смысловые кодоны, которые соответствуют 20 различным аминокислотам. История расшифровки генетического кода представляет собой цепь догадок, гипотез и открытий, связанных с именами Ф. Крика, С. Бреннера, М Нирен-берга, С. Очоа, Г. Кораны. Так как число триплетов превышает число аминокислот, генетический код является вырожденным. Большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Каким образом реализуется такая ситуация? Для этого существует две возможности. Во-первых, одна молекула тРНК, пецифичная к определенной аминокислоте, может взаимодействовать более чем с одним кодоном. Оказалось, что в этом случае точное образование комплементарных пар обязательно только для первых двух букв кодона, а н третьем положении допускается образование «неклассических» пар. Идея о том, что на спаривание третьего основания кодона накладываются менее жесткие ограничения, принадлежит Ф. Крику и была сформулирована в его гипотезе «качания» (wobble-гипотезе, или гипотезе неоднозначного соответствия). Согласно этой гипотезе, сейчас уже доказанной, допускается образование пвр между U и G, с I (инозин) и U, С или А. Действительно, а тРНК, взаимодействующих более чем с одним кодоном, первым основанием антикодона (взаимодействующим с третьим основанием кодона) часто оказывается минорное основание инозин.

В клетке реализуется и другая ситуация, когда для одной аминокислоты существует несколько специфичных тРНК Такие л РНК называются изоакцепторными.

Рис. 238. Генетический код.

и С A g

и иии-иис UUA' UUG .Phe .Leu UCU "1 исс UCA UCG . . Ser UAU 1 UAC J UAA ' UAGJ к Tyr Stop UGU ' UGC J UGA UGG • Cys Stop Trp U С A G

с сии-сис CUA CUGa Leu ecu ' CCC CCA CCG . Pro CAUl CAC J CAA CAG J His • Gin CGU ' CGC CGA CGG ¦ Arg U С A G

А AUU-AUC AUAj AUG h Met ACU ' ACC АСА ACG . .Tin AAU 1 AAC AAA ' AAG J Asn Lys AGU 1 AGC AGA 1 AGG J > Arg U С A G

G GUU" GUC GUA GUG. . Val GCU GCC GCA GCG . .Ala GAU i GAC GAA 1 GAG LAsp Glu GGU' GGC GGA gggJ ¦ Gly U С A G

Активация аминокислот:

тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы

Присоединение аминокислот к тРНК осуществляют специальные ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы). Для каждой аминокислоты существует один фермент, который узнает все изоакцепторые тРНК. способные присоединять эту аминокислоту; однако синтетазы одинаковой специфичности, но происходящие из разных источников, отличаются друг от друга. Реакция амиио-ацилиронания тРНК протекает в две стадии, катализируемые одной и той же синтетазой (рис. 234).

421

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

HaN — С—С

ОН - АТР

-^2 Pi

R С I # -С—

I

н

о

II

' О —Р-

мдкро»рг ичвска я связь

А н инолци л адени лет

NHi

Аминоацил-тРНК

Рис. 239. Реакция амииоаинлирования тр Н К катализируемая аминпацил-тРНК-синтетазой (Е).

422 Как в прокариотических, так и в эукариотических организмах - синтез белка начинается с присоединения особой (инициаторной)

Нуклеиновые кислоты тРНК, которая всегда несет остаток метионина. По ряду особенно-

стей она отличается от тРНК, несущей ту же аминокислоту для продолжения синтеза белковой цепи. Для инициаторной тРНК существует своя синтетаза. В прокариотических клетках аминогруппа метионина, связанного с инициаторной тРНК, модифицируется с помощью специального фермента. Заряженная и формили-рованиая инициаторная тРНК обозначается как fMet-TPHK^J обычная метиоиил-тРНК — как Ме1-тРНКМм. У эукариот также существует особая инициаторная тРНК несущая метионин, но форм и и рование отсутствует.

Н I

о=с-

CHi-

I

сн2

S—СНз

о

R

I

HiN—С—С

о II

°=с— NH—С—С—N—СН2-

I I

СНг Н

СНз-

Аминоацил тРНК

I

•S—СН,

Пептидил-тРНК

Рис. 240. Синтез первой пептидной связи. В процессе белкового синтеза происходит последовательное

присоединение аминокислот: сначала карбоксильная группа остатка формилметионина атакуется аминогруппой следующей аминокислоты с образованием пептидной связи (рис. 240). а далее процесс повторяется многократно до того момента, пока в мРНК не встретится терминирующий кодон.

Все эти события происходят на рибосоме и осуществляются с помощью факторов трансляции.

Белковые факторы, участвующие в трансляции

Помимо белков, входящих в состав рибосом, в биосинтезе белка принимает участие большое число белковых факторов, которые связываются с рибосомой только на определенных этапах трансляции и, выполнив свою функцию, отделяются. В Е coli в инициацию трансляции вовлечено три фактора — IF-1, IF-2 и IF-3 (IF — от initiation factor), которые представляют собой мономерные белки и обычно ассоциированы с 30S субъединицей рибосом. Факторы инициации катализируют реакции связывания мРНК (IF3) и фор-милметионил-тРНК (IF2) с рибосомой. IF1 стимулирует обе реакции, но играет подчиненную роль и не проявляет актианости в отсутствие IF2 и IF3. У эукариот в инициацию вовлечено по мень-

шей мере 8 факторов (обозначаются EIF — eukaryote initiation factors), причем аналоги IF2 и 1F3 имеют субъединичное строение. Так, EIF2 ответственный за связывание инициаторной тРНК состоит из 9 субъединиц. Участие большого числа белковых факторов в эукариотической инициации, возможно, объясняется сложной системой контроля и регуляции этого процесса.

В E.coli на стадии элонгации работают три фактора — EF-Tu, EF-Ts и EF-G (EF — от elongation factor). Фактор Tu (u — от unstable, нестабильный) осуществляет транспортную функцию и переносит аминоацил-тРНК на рибосому, фактор Ts (s — от stable, стабильный) регенерирует активную форму Tu, образуя с ним комплекс Tu-Ts; EF-G участвует в транслокации, т. е. перемещении рибосом от кодона к кодоиу мРНК

Такие же факторы существуют и у эукариот. Например, факторы EF-I и EF-2 аналогичны по функции EF-Tu "и EF-G соответственно.

Наконец, в Е coli два белка катализируют на рибосоме гидролитическое отщепление полипептидной цепи от пептидил-тРНК. Эти белки проявляют специфичность по отношению к терминирующим ко до нам RF-I осуществляет катализ, если терминирующими кодонами являются UAA и UAG, a RF-2 узнает кодоны UAA и UGA. Есть еще один фактор терминации — RF-3, который не имеет собственной каталитической активности, но стимулирует действие факторов RF-I и RF-2. В клетках млекопитающих известен единственный RF-фактор, который узнает все три терминирующих кодоиа.

423

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Инициация трансляции

Инициация трансляции в про- и эукариотических клетках имеет много общих черт. При инициации рибосомы диссоциируют на субъединицы и малая субъединица связывается с мРНК и инициаторной тРНК под действием 1Рфакторов К образовавшемуся прединициаториому комплексу присоединяется большая субъединица, IF-факторы отщепляются и образуется зрелый 70S инициатор- Рис 24i. Образование ный комплекс, готовый к синтезу белка (рис. 241). Однако прежде комплекса у прокариот.

(прединициаторный) 70S Иниццаторный

номпленс

чем образовать прединициаториый комплекс, малой субъединице рибосомы приходится определить место начала синтеза белка, т. е. найти на мРНК инициирующий кодон (в общем случае это AUG, однако у прокариот иногда встречается GUG или даже AUU, причем все они связывают инициаторную формилметионил-тРНК). В структуре любой мРНК последовательность AUG встречается многократно, тем не менее субчастица узнает именно тот кодон, который соответствует первой аминокислоте синтезируемого белка. У прокариот и эукариот это узнавание происходит по-разиому, но в обоих случаях информацию о начале синтеза рибосома получает из структуры мРНК.

Прокариотические матрицы полицистронны и в большинстве случаев содержат в 5 концевой области, а также в межцистрониых областях не ранслируемые последовательности, которым принадлежит важная регуляторная роль. Существует гипотеза, выдвинутая в 1974 г. Дж. Шайном и Л. Дальгарно, согласно которой рибосома определяет место инициации с помощью образования комплекса между 3 концевым участком рибосомной 16S Р НК и участком мРНК, расположенным перед инициирующим кодоном. Действительно, анализ структуры большого количества геноа показывает, что иа расстоянии 3 — 12 нуклеотидов от инициирующего кодона в большинстве мРНК содержатся последовательности, комплементарные З'-концу 16S РНК. Более того, в ряде случаев из ииициаторного комплекса удается после нуклеазного гидролиза выделить дуплекс, содержащий З'-концевой фрагмент 16S РНК и комплементарный ему участок мРНК (Дж. Стейц).

Известны мутации, которые уменьшают степень комплементар-ности между концом 16S РНК и областью, предшествующей инициирующему кодону. В таком случае скорость синтеза белка понижается. Есть и другие аргументы, которые подтверждают значение этой комплемеитариости для инициации трансляции. Последовательность в мРНК, предшествующую инициирующему кодону и комплементарную З'-коицу I6S РНК, называют последовательностью Шайиа — Дальгарно, она обозначается по первым буквам фамилий авторов гипотезы SD. Однако для определения места и эффективности инициации недостаточно только сочетания последовательности Шайна — Дальгарно и инициирующего кодо

страница 56
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.07.2017)