Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

Транспортні РНК

На частку транспортних РНК припадає близько 10–15 % від загальної кількості клітинної РНК. Відомо більше 60 різних тРНК. Для кожної амінокислоти в клітині є як мінімум одна специфічна тРНК. Для деяких амінокислот їх відкрито більше однієї: для серину, лейцину й аргініну — 6 різних тРНК, для аланіну, гліцину і треоніну

— по 4 різних тРНК. Молекулярна маса більшості тРНК коливається від 24 000 до 29 000. Вони містять від 75 до 85 нуклеотидів, у тому числі 8 і більше з них є модифікованими основами. Амінокислоти приєднуються до всіх тРНК аденіловою кислотою (АМФ) шляхом утворення фосфодіефірного зв’язку.

Майже всі тРНК мають не тільки вельми подібні функції, але й дуже схожу тривимірну структуру, що спочатку була названа конформацією конюшинового листа. У молекулі тРНК відкриті спіралізовані ділянки, незвичайні водневі зв’язки і гідрофобні взаємодії у неспіралізованих ділянках.

Доведено, що тРНК має псевдоуридилову петлю, утворену з нуклеотидів, які містять псевдоуридин (Тψ С), і дигідроуридилову петлю. На 3′-ОН-кінці міститься однакова для всіх тРНК послідовність триплету ЦЦА-ОН, до якої за допомогою ефірного зв’язку приєднується специфічна амінокислота.

Зв’язування, головним чином, відбувається через 3′-ОН-групу кінцевого аденілового нуклеотиду, хоча отримано докази можливості попереднього приєднання амінокислоти і через 2′- ОН-групу.

Роль окремих ділянок тРНК недостатньо вивчена. Псевдоуридилова петля вочевидь забезпечує зв’язування аміноацил-тРНК із рибосомою, а дигідроуридилова петля необхідна як сайт для розпізнавання специфічним ферментом — аміно- ацил-тРНК-синтетазою. Склад додаткової петлі варіює в різних типах молекул тРНК, її призначення невідомо.

Антикодонова петля складається з 7 нуклеотидів; три з них займають центральне положення і формують антикодон, який є високоспецифічним і комплементарним до відповідного кодону мРНК. Адапторна функція молекул тРНК поля-

гає у зв’язуванні кожної молекули тРНК зі своєю специфічною амінокислотою. Функцію розпізнавання, тобто посередника між тРНК та амінокислотою, вочевидь виконує молекула ферменту.

Матрична РНК

Роль матричної РНК (мРНК) полягає в переносі інформації від ДНК у ядрі (де вона синтезується під дією ДНК-залежної РНК-полімера- зи) до цитоплазми, де вона з’єднується з рибосомами і використовується як матриця, на якій здійснюється синтез білка. Послідовність нуклеотидів мРНК реалізується в специфічній послідовності амінокислот синтезованого поліпептидного ланцюга. Отже, ДНК передає інформацію на мРНК, що синтезується в ядрі й потім надходить у цитоплазму, де мРНК виконує матричну функцію в синтезі специфічної білкової молекули.

Етапи і механізми трансляції

При трансляції генетичний текст мРНК переводиться в лінійну послідовність амінокислот поліпетидного ланцюга білка. Розпізнавання (рекогніція) амінокислот транспортною РНК і утворення аміноацил-тРНК відбувається в цитозолі, а біосинтез білка — на рибосомах. Етапи біосинтезу білка наведено в табл. 12.1.

Розглянемо головні етапи синтезу білка докладніше.

1.Активація амінокислот. На цьому етапі, що перебігає в цитозолі, кожна з 20 амінокислот ковалентно приєднується до певної тРНК, використовуючи для цього енергію АТФ. Ці реакції каталізують аміноацил-тРНК-синтетази, які потребують присутності іонів Mg2+.

2.Ініціація. Початок трансляції — найбільш повільний процес; мРНК, що містить інформацію про поліпептид, зв’язується з малою субодиницею рибосоми (у неробочому стані субодиниці

рибосоми роз’єднані). Місце приєднання до субодиниці розташоване на 5′-кінці РНК (синтез поліпептиду йде в напрямку 5′→ 3′). У межах малої субодиниці містяться тільки два кодони

мРНК. Першим кодоном мРНК із 5′-кінця є АУГ (АUG) або ГУГ (GUG). Ці кодони називаються ініціюючими, тому що саме з них починається трансляція в рибосомах. Цим кодонам відповідає антикодон метіоніл-тРНК. В еукаріотів є дві різні метіоніл-тРНК. Одна з них завжди бере участь в ініціації, а друга — використовується в процесі елонгації. У прокаріотів синтез білка починається з формілметіоніл-тРНК, де NH2-група захищена формільною групою. Здійсненню процесу ініціації, що потребує участі гуанозинтрифосфату (ГТФ), сприяють три специфічних білки, наявні у цитозолі, які називаються факторами ініціації (IF-1, IF-2, IF-3) (табл. 12.2). Вони полегшують зв’язування мРНК із малої субодиницею і ГТФ. До цього первинного комплексу приєднується велика субодиниця, після чого фактори ініціації видаляються з рибосом. Необхідна енергія для з’єднання субодиниць надходить за рахунок гідролізу ГТФ.

3. Елонгація. Синтез поліпептиду завжди починається з N-кінця і закінчується C-кінцем. Нарощування поліпептиду на одну амінокислоту здійснюється в три кроки:

—зв’язування аміноацил-тРНК з А-ділянкою.

Урибосомі є дві ділянки зв’язування аміноацилтРНК: аміноацил- (або А-ділянка) і пептиділ- (або Р-ділянка). Ініціююча МеттРНК (або f- меттРНК) може зв’язуватися тільки з Р-ділянкою;

—утворення нового пептидного зв’язку між амінокислотами, чиї тРНК розташовані в А- і Р- сайтах рибосоми, відбувається за допомогою пептидилтрансферази. Цей процес здійснюється в результаті переносу ініціюючого метіонінового (формілметіонінового) залишку від тРНК, що його переносить, до аміногрупи нової амінокислоти, яка щойно потрапила до А-ділянки;

—транслокація (або перенос мРНК на один

триплет). Рибосома переміщається вздовж мРНК у напрямку до її 3′-кінця на відстань в один кодон. Оскільки дипептидил-тРНК, як і раніше, за-

Таблиця 12.2

Фактори процесу трансляції

Фактори ініціації

IF-1 — зв’язує ф-меттРНК з малою субодиницею і приєднує до неї мРНК

IF-2 — об’єднує велику і малу субодиниці рибосом

IF-3 — розпізнає ділянку на мРНК, куди приєднується ф-меттРНК

Фактори елонгації

EF-Tu — зв’язує аміноацил-тРНК і ГТФ EF-Ts — переміщує ГДФ із EF-Tu

EF-G — сприяє транслокації шляхом зв’язування ГТФ із рибосомою

Фактори термінації

RF-1 — розпізнає термінуючі кодони УАА та УАГ RF-2 — розпізнає термінуючі кодони УАА та УГА RF-3 — зв’язує ГТФ і стимулює RF-1 та RF-2

лишається зв’язаною з другим кодоном мРНК, рух рибосоми призводить до переміщення дипеп- тидил-тРНК із А-ділянки до Р-ділянки, через що попередня, уже вільна тРНК відокремлюється від Р-ділянки та іде до цитозолю.

Для здійснення елонгації необхідні фактори елонгації (EF-Tu, EF-Ts й EF-G), а також 2 мо-

лекули ГТФ, що використовуються при зв’язуванні другої амінокислоти та при транслокації

(див. табл. 12.2).

Тепер рибосома разом із дипептидил-тРНК і мРНК готова до наступного циклу елонгації, тобто до приєднання третього амінокислотного залишку Здійснюється це точно так, як приєднання другого залишку. Елонгація триває, доки весь текст мРНК не буде прочитаний.

4. Термінація — це закінчення трансляції. Про термінацію синтезу поліпептиду сигналізує один із трьох термінуючих кодонів мРНК, розташований безпосередньо за кодоном останньої амінокислоти. Термінуючі триплети UAA (УАА), UAG (УАГ), UGA (УГА) не кодують ніякої амінокислоти. Їх називають беззмістовними (нонсенстриплетами).

У клітині мРНК для синтезу білка використовує не одну, а кілька рибосом. Такий комплекс мРНК із кількох (від 4 до 20) рибосом називається полірибосомою. Завдяки утворенню полірибосом немає потреби у великій кількості копій мРНК. Водночас синтез білка перебігає швидше, ніж при використанні тільки однієї рибосоми. За секунду поліпептидний ланцюг подовжується на одну амінокислоту, а в інтенсивну фазу росту клітин швидкість синтезу наростає до 20 амінокислот за секунду. Після відділення мРНК від рибосоми вона одразу гідролізується цитоплазматичними рибонуклеазами, тобто існує для одноразового користування. Тому для біосинтезу тих самих білків необхідно знову створювати мРНК.

Посттрансляційна модифікація білка

Під час трансляції білок починає укладатися в тривимірну структуру, якої він остаточно набуває після відділення синтезованого білка від рибосом (фолдинг білка). Частина білків синтезується у вигляді попередників, які піддаються обмеженому протеолізу в цитоплазмі клітини. Очевидно, що обробку протеазами проходить більшість білків, тобто відбувається їхнє своєрідне дозрівання (проферменти, попередники гормонів).

Значно більшу питому вагу має посттрансляційна хімічна модифікація білків:

—модифікація N- і C-кінців — видалення N- кінцевих формілметіоніну (у прокаріот) і метіоніну (в еукаріот);

—ацетилювання N- і C-кінців;

—модифікація гідроксильних, карбоксильних і аміногруп пептидів шляхом їх фосфорилування, карбоксилювання, метилювання, ацетилювання;

—приєднання до пептидів простетичних груп — вуглеводів, коферментів;

— хімічна модифікація амінокислотних залишків.

Менш вивчені реакції фарнезилювання залишків цистеїну ряду білків: білка G, групи білків ядерного матриксу, а також білків ras і протоонкогенів.

Значна частина білків залишається в клітині. Однак частина експортується з неї — це, як правило, ті білки, які синтезуються на рибосомах, зв’язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулума. Вже при синтезі зростаючий поліпептидний ланцюг проникає через мембрану і потрапляє у канали ендоплазматичної сітки. У цистернах ендоплазматичного ретикулума білки концентруються. Зберігання і секреція їх відбувається в апараті Гольджі, де до білка приєднується вуглеводний компонент. Вони транспортуються назовні шляхом екзоцитозу. Для цього потрібна енергія АТФ, тому при дефіциті АТФ білки затримуються в клітині.

Фолдинг білка

У міру росту поліпептидного ланцюга на рибосомі починається укладання білка у тривимірному просторі в напрямку від N- до C-кінця. Після закінчення трансляції починається наступний етап формування білка — фолдинг (від англ. folding — складання), тобто згортання пептидного ланцюга у правильну тривимірну структуру. Якщо білок складається з кількох субодиниць, то фолдинг включає також об’єднання їх в єдину макромолекулу. Відбувається це за рахунок переміщення дисульфідних зв’язків, переходу радикалів проліну з однієї конформації до іншої.

Шаперони

Свою назву ці білки отримали через те, що їх синтез зростає при підвищенні температури та інших формах стресу. При цьому вони виконують функцію захисту білків клітини від денатурації. Функцій у шаперонів дуже багато.

Шаперони забезпечують вірний фолдинг новоутворених білків за рахунок запобігання агрегації нових білків, «неправильним» внутрішнім взаємодіям.

Шаперони забезпечують контроль за рефолдингом. З різних причин білки, що були відносно давно синтезовані й до того успішно функціонували, можуть втрачати свою нативну конформацію, тобто частково або повністю денатурувати, що супроводжується схильністю до агрегації. Такі білки можуть підлягати рефолдингу (або ренатурації) з активною участю шаперонів. Синтез шаперонів значно посилюється, якщо клітина відносно довго перебуває в умовах стресу.

Шаперони беруть участь у деяких видах внутрішньоклітинного транспорту білків.

Шаперони підтримують ряд білків у певній конформації, у стані нібито незавершеного фолдингу. Приклад цього — локалізований у цитоплазмі білковий рецептор до глюкокортикоїдів.

За відсутності цих гормонів він зв’язаний із комплексом шаперонів. У такому стані рецептор не може проникнути всередину ядра. Після зв’язування глюкокортикоїдів шаперони дисоціюють, фолдинг завершується, рецептор проникає до ядра, переходить у димерну форму та зв’язується з певною ділянкою ДНК.

Пріони як антишаперони

Фолдинг повинен приводити поліпептидний ланцюг з участю фолдаз і шаперонів до найоптимальнішої енергетично та функціонально структури. Але існує група тяжких неврологічних хвороб, зумовлених «неправильним» фолдингом одного, цілком визначеного білка; цей процес закономірно повторюється. Даний білок, якщо він знаходиться в нормальній конформації, називається пріоновим білком. Виявляється він у мозку, функція його наразі невідома. При деяких захворюваннях той самий поліпептид виявляється в іншій конформації, в якій переважають ділянки з β -структурою, яких майже немає у нативній формі, а молекули білка мають підвищену схильність до агрегації. Такий білок називають пріоном. Але найгірше те, що «неправильна» форма білка спричинює перехід у таку ж форму і «правильних» форм. Таким чином, пріони по відношенню до своїх вихідних молекул грають роль антишаперонів. Більше того, процес, очевидно, є автокаталітичним.

Як виникають в організмі перші порції пріону? Іноді, надзвичайно рідко, це відбувається через помилки фолдингу. Дещо частіше зустрічаються мутації відповідного гена, тоді хвороба передається спадково. Але найчастіше вона виникає внаслідок уживання в їжу тих тваринних тканин, в яких містяться пріони. Тому дані білки й названі інфекційними частинками. Їх вирізняє ще одна дуже важлива особливість — стійкість до протеаз. Саме завдяки їй окремим молекулам пріонів вдається проникати у незмінному вигляді з шлунково-кишкового тракту до нервової тканини, де і запускається автокаталітичний процес. Усе це разом робить пріони унікальним інфекційним агентом. У корів пріоновою хворобою є губчата енцефалопатія (або коров’ячий сказ). Уживання людиною м’яса таких корів призводить до хворо-

би Крейнцфельда — Якоба.

Хвороба Альцгеймера. Головним проявом хвороби Альцгеймера є рефолдинг білка мозку людини — β -амілоїду. Старечі бляшки (скупчення фібрил, амілоїду, оточені сіткою деформованих нервових відростків) та нейрофібрилярні пучки містять агрегати β -амілоїду, отриманого шляхом протеолізу попередника — білка амілоїду. У пацієнтів із хворобою Альцгеймера рівень β -амілоїду дуже високий, цей білок піддається конформаційним змінам, із розчинної α -спіралі він перетворюється на β -структуру, схильну до агрегації.