т каталазной активностью. Однако если добавить порфирин, то образуется активная каталаза, что свидетельствует о синтезе апофермента даже в отсутствие синтеза простетической группы.

В белках содержится обычно только двадцать аминокислот (гл. 4). Модификация этих остатков путем фосфорилирования, метилирования, гидроксилирования, иодирования, гликозилирования и т. д. происходит во время или после окончания образования полипептидной цепи. Ферменты, определяющие эти процессы и их специфичность, находятся под генетическим контролем; специфи-

25. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. I

1037

Таблица 25.4

Некоторые ковалентные модификации аминокислот в белках

Модифицируемая аминокислота Производное Тнп белка

?-Концевые остатки Ацетилированные Gly, Ala, Ser и т. д. Различные белки

Аргинин Различные ?-метилпро-изводные Гистоны, белки мозга

Аспарагин Гликозилирование амидного азота Различные глобулярные гликопротеиды

С-Концевые остатки а-Карбоксамид Различные гормоны

Цистеин Цистин Различные белки

Цистеин Связывание с FAD Некоторые ферменты, цитохром

Цистеин Тиольный эфир протопорфирина

Глутаминовая кислота ?-Карбоксиглутамил Протромбин и др.

Глутаминовая кислота и лизин у-Глутамил-е-1Ч-лизил Фибрин

?-Концевой глутамин Пирролидонкарбоновая кислота Различные белки

Гистидин ?'- или №-метилпроиз-водное

Оксилизин О-Гликозилоксилизин Коллагены

Оксипролин О-Гликозилоксипролин Коллагены, экстензины

Лизин 6-Оксилизин Коллагены

Лизин ?, ?-Моно-, ди- и триме-тиллизины Гистоны и т. д.

Лизин 6-Окси-е-К-триметил- лизин Диатомовый белок

Лизин ?-?-Ацетиллизин Гнстоны

Лизин Лизиналь Коллагены

Лизин Лизинонорлейцин Коллагены, эластины

Лизин Десмозин, изодесмозин Эластины

Лизин Биотинил по ?-аминогруппе Карбоксилазы

Лизин Липоил по ?-аминогруппе Пируватдекарбоксилаза

Лизин Основание Шиффа с пи-ридоксальфосфатом Многие ферменты

Пролин З-Оксипролин Коллагены

Пролин 4-Оксипролин Коллагены, эластнн

1033

III. МЕТАБОЛИЗМ

Продолжение-

Модифицируемая аминокислота

Производное

Тип белка

Пролин Сернн

Серии Серии Серии Треонин

Треонин

Тирозин Тирозин

Тирозин

Тирозин Тирозин

Тирозин Тирозин

3,4-Диокснпролнн О-Глпкозилсерин

О-Фосфопантетеин О-Фосфосернн ?-Концевой пируват О ? л икоз илтрсонин

?-Концевой а-кетобути-рил

Тирознн-О-сульфат

о-Дитирозин, о-тритиро-зин

Моно- и дииодтирозин

Трииодтирозин, тироксин Моно и дибромтирозин

Ортоокисление Аденилирование

Диатомовый белок

Различные глнкопро-тенды

Ацилпереносящий белок

Различные белки

Некоторые ферменты

Различные гликопро-теиды

Некоторые ферменты

Фибриноген и т. д. Резилин

Тироглобулин, скелетные-белки кораллов, медуз, ? т. д.

Тироглобулин

Скелетные белки кораллов и т. д.

Меланины

Глутаминсинтетаза

ческие остатки, (которые подвергаются .модификации, определяются в одних белках последовательностью аминокислот, а в других — конформацией. В некоторых случаях модификация служит для контроля активности ферментов ,и является обратимой, например, у фосфорилазы (разд. 15.2.3) и глутамннсинтетазы (разд. 20.2.3). В других случаях простетическая группа может быть ковалентно связана с .белком, например амидная связь соединяет биотин с ?-аминогруппой лизина в карбоисилирующем ферменте (разд. 14.5). Примеры ковалентной модификации аминокислотных остатков в белках перечислены в табл. 25.4. 'Производные, являющиеся промежуточными продуктами ферментативных реакций, а также металлолитанды многих ферментов ,в таблице не приведены.

Ковалентные сшивки между пептидными цепями имеются во многих фибриллярных белках, таких, как коллаген и эластин. Сшивки образуются .в результате реакций, протекающих после оинтеза полипептидных цепей. Образование необычных аминокислот, таких, как десмозин и изодесмозин из лизиновых остатков в эластине, является примером таких процессов гл. 38).

25. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. I

1039

25.5.3. Проблемы кодирования

TaiK как генетический контроль определяет только аминокислотную последовательность, .и как ДНК, так и пептидные цепи являются линейными полимерами, то они должны быть коллинеарны в том смысле, что последовательность оснований должна определять аминокислотную последовательность. Однако ДНК состоит из четырех оснований, а именно A, G, С и Т, а белок —¦ из 20 аминокислот. Хотя в ДНК могут присутствовать .в небольших количествах и другие основания, но они функционируют как случайные заменители сдного из соычных оснований. Например, метилцито-зин спаривается с гуанином таким же образом, как и цитозин.

Двадцать аминокислот, входящие в состав белков, стандартно сокращаются так: Ala, Arg, Asp, Asn, Cys, Glu, Gin, Gly, His, He, Leu, Lys, Met, Phe, Pro, Ser, Thr, Тгр, Туг и Val (табл. 4.1). Цистин отсутствует в этом списке, так как в белки включается цистеин, а цистин образуется в результате последующего окисления из двух цистеиновых остатков. Глутамин и аспарагин включены в этот описок, так как включение каждой из этих аминокислот в полипептиды находится под независимым генетическим контролем.

Так как в ДНК содержится всего четыре основания, а в белках — 20 аминокислот, то кодирующая единица, или кодон, т. е. специфическая комбинация оснований, определяющая включение аминокислоты, должна содержать более чем одно основание. Если кодон для каждой аминокислоты содержит два основания, то возможно 42=16 кодонов. Для кодонов из трех оснований (триплетов) возможно 43 = 64 комбинации, что более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот. Все имеющиеся сведения говорят о том, что кодон состоит из трех оснований (гл. 26).

Изучение различных белков показало, что точечная мутация, т. е. замена одной пары оснований, наследуется по законам Менделя и затрагивает только одну аминокислоту в полипептидной цепи. Более того, мутации, близко расположенные на генетической карте (согласно данным по генетической рекомбинации), приводят к близко расположенным изменениям в аминокислотной последовательности. Это было обнаружено при иселедов'аниях на «-белке триптофансинтетазы Е. coli (гл. 26) и белке оболочки бактериофага Т4 (гл. 28). Такие исследования дали прямые доказательства коллинеарности пептидной цепи и ДНК в гене (гл. 26).

См. литературу к главе 26.

Глава 26

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. И

Гены и белковый синтез. Генетический код. Контроль белкового синтеза

26.1. Ген и белковый синтез

В этой главе будут рассмотрены механизмы белкового синтеза-Так как белки синтезируются из отдельных аминокислот, то основные (вопросы можно сформулировать так: 1) .каким образом становится доступной энергия, необходимая для образования пептидных связей? 2) каким образом последовательность нуклеотидов ДНК переводится в специфическую аминокислотную последовательность белка? 3) каковы генетические механизмы, определяющие, когда должна быть использована генетическая информация?

Перед рассмотрением деталей механизма белкового синтеза коротко рассмотрим основные черты процесса в целом. Процесс можно разбить на три стадии:

1. Синтез с помощью фермента РНК-полимеразы нити РНК, которая является комплементарной копией одной из двух нитей матричной ДНК; это .процесс транскрипции. При этом синтезируются три типа РНК — матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). Гибридизационные исследования (гл. 7) показали, что в хромосоме имеются уникальные последовательности, комплементарные каждой из этих РНК-

2. Созревание РНК-транскрипта путем расщепления специфическими эндонуклеазами, .в результате чего первичные РНК-транскрипты превращаются в функционально активные мРНК, рРНК и тРНК.

3. Трансляция мРНК на рибосомах — цитоплазматических частицах, содержащих рРНК и белки, с участием тРНК, в результате чего образуется полипептидная цепь.

Следует подчеркнуть две основные черты процесса трансляции: 1) синтез нолипептидной цепи начинается с ?-концевой аминокислоты, и элонгация цепи происходит путем последовательного присоединения аминокислот. Временная последовательность добавления аминокислот к растущей полипептидной цепи коллинеарна с последовательностью аминокислотных остатков в этой цепи, начиная с аминоконцевого остатка. 2) мРНК «прочитывается» группами из трех нуклеотидов (кодоны), начиная с определенной

26. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. II

точки; триллетный кодон определяет, какая из 20 аминокислот .должна быть добавлена ,к растущей полипептидной цепи.

Обсуждение деталей белкового синтеза мы начнем с рассмотрения механизма трансляции, затем перейдем к генетическому колу и, наконец, рассмотрим механизм транскрипции и его контроль.

:26.2„ Компоненты механизма трансляции

Г26.2.1. Транспортная РНК (тРНК)

Каждая молекула тРНК представляет собой единую цепь примерно из 80 нуклеотидов, многие из которых модифицированы (табл. 7.6). Нуклеотндная последовательность более чем 50* моле-

з'

Эроэкэгсевая тРНК

аминоацильныи конец

©

А

? pG « С 72

С • G

G • С

G — и

А • и

и • А

• А 65 G

тФс-

D-пегпля

is ? -v^/ ~ „ «vv^ Qm'AJ в»

18 ^gC*)** 23 4 2-26 mg46

21

m G 26 Эополнительная

петля

44

я G 45

С · G A

С · G A · U G · m5C

31 Д · ? ЗЭ

(Cm) A ' антииойоноЕая

33 (0) (Y) 37 петпя

Gm A A

34

"Рис. 26.1. Схема структуры клеверного листа для тРНКр|,е дрожжей. Инвариантные основания для всех тРНК обведены кружком; полуинвариантные, например пурины или пиримидины, указаны в скобках. {Jack ?., Ladner J. ?., Klug ?., J.

____ Mol. Biol., 108, 619, 1976.)

* В настоящее время известна первичная структура более 120 видов молекул тРНК. — Прим. перев.

1С42

III. метаболизм

антикоЭоК. i-1

увеличенная

Рис. 26.2. Схема трехмерной структуры дрожжевой тРНКр|,е, показывающая укладку цепи и взаимодействия между основаниями. Рибозофосфатный скелет показан непрерывной линией. Длинные прямые линии показывают пары оснований в двуспиральных участ