4. Транспортные РНК и аминоацил-тРНК-синтетазы
белок биосинтез полинуклеотид генетический
Транспортные РНК (тРНК) небольшие по размеру молекулы (73- 97 нуклеотидных остатков в цепи). Все тРНК имеют одинаковый 3'-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного аденозина (CCA-конец). В середине цепи тРНК находится антикодон. В молекулах тРНК присутствет множество разнообразных модифицированных нуклеозидов (минорные нуклеозиды), образующиеся путем ферментативной модификации обычных нуклеозидных остатков.
Вторичная структура
Вторичная структура тРНК складывается за счет взаимокомплементарности участков цепи. Они формируют структуру «клеверного листа», состоящую из четырех стеблей и трех петель. Стебель с петлей формируют ветвь. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V петлю). Двухцепочечные стебли с постоянным числом спаренных нуклеотидов представляют собой двойную спираль.
Рисунок 6 Вторичная структура тРНК
Пространственная структура
Рисунок 7 Третичная структура тРНК
Третичная структура формируется за счет взаимодействия элементов вторичной структуры. Пространственная структура тРНК называется L-формой (из-за сходства с латинской буквой L).
Третичные взаимодействия (стекинг оснований и другие) скрепляют разные участки L-структуры в непрерывные двойные спирали.
Молекулам тРНК присущи индивидуальные различия, проявляющиеся на уровне вторичной и третичной структур, например, разная величина угла между доменами L-структуры.
Функции тРНК
Две основные функции тРНК:
1. Акцепторная функция - способность ковалентно связываться с аминоацильным остатком, превращаясь в аминоацил-тРНК;
2. Адапторная функция - способность узнавать триплет генетического кода, соответствующий транспортируемой аминокислоте, и обеспечивать поступление аминокислоты на «законное» место в растущей цепи белка.
Аминоацилирование тРНК
Аминоацилирование тРНК - процесс активации аминокислот. Он происходит на первом этапе биосинтеза белка - двадцать различных аминокислот присоединяются эфирной связью к соответствующим тРНК под действием двадцати различных активирующих ферментов, называемыми аминоацил-тРНК-синтетазами. Каждый фермент специфичен по отношению к определенной аминокислоте и к соответствующей тРНК.
Аминоацилирование состоит из двух стадий, проходящих в каталитическом центре фермента. На первой стадии в результате взаимодействия АТР и аминокислоты образуется промежуточное соединение - аминоациладенилат. На второй стадии аминоацильный остаток переносится с аминоациладенилата, связанного с ферментом, на соответствующую специфическую тРНК (Рисунок 8).
Рисунок 8 Обобщенная структура аминоацил-тРНК
Аминоацилирование может быть выражено схемой:
АТФ - аденозинтрифосфат, АМФ - аденозинмонофосфат, PPi - пирофосфаты.
Исключительно низкая частота ошибок при аминоацилировании тРНК является непременным условием реализации генетического кода - если на предрибосомном этапе произошла ошибка и к тРНК присоединилась аминокислота, не соответствующая специфичности антикодона, то эта ошибка уже не может быть исправлена на последующих этапах белкового синтеза.
В ходе эволюции выработались специфические механизмы отбора «правильных» субстратов для аминоацил-тРНК-синтетаз, обеспечивающие безошибочное аминоацилирование тРНК.
Узнавание тРНК аминоацил-тРНК-синтетазами
Каждая тРНК, сохраняя универсальную L-образную форму, имеет отличительные признаки, безошибочно распознаваемые «своим» ферментом как «притягательные», а остальными 19 ферментами - как «отталкивающие».
Это следующие участки тРНК (Рисунок 9):
· Антикодон
· Нуклеотид, предшествующий CCA-концу.
· Первые три пары нуклеотидов акцепторного стебля
Рисунок 9 Участки, по которым происходит узнавание тРНК аминоацил-тРНК-синтетазами
Заключение
Белки являются структурными блоками клетки, а также осуществляют большую часть её функций. Биосинтез белка является одним из основополагающих процессов клетки.
Расшифровка генетического кода, правил, по которым нуклеотидная последовательность РНК переводится в аминокислотную последовательность полипептида, позволила понять принцип биосинтеза белка и связанные с этих явления.
Синтез протеина начинается с построения цепи матричной РНК из ДНК по принципу комплементарности.
После определенных преобразований молекула матричной РНК становится матрицей для построения по ней белка.
Биосинтез белка происходит в рибосомах, которые состоят из белков и рРНК. Рибосомы диссоциируют на две неравные субъединицы.
· Прокароты: 70S 50S + 30S
· Эукариоты: 80S 60S + 40S
Транспортная РНК состоит из небольшого числа нуклеотидов (73-97), некоторые из которых могут быть модифицированы. тРНК имеют общее строение:
· универсальная CCA последовательность
· акцепторный стебель
· D шпилька
· T шпилька
· Антикодоновая шпилька
Транспортные РНК выполняют акцепторную и адапторную функции.
Для синтез белка необходима активация аминокислот. Аминокислоты активируются в цитозоле аминоацил-тРНК синтетазой. Эти ферменты катализируют образование аминоацил-тРНК и расщепление АТФ на АМФ и пирофосфаты (PPi). Точность белкового синтеза зависит от правильного протекания этой реакции.
Непосредственный синтез белка (трансляция) проходит в три стадии.
1. Инициация белкового синтеза включает в себя образование комплекса из малой рибосомной субъединицы, мРНК, ГТФ, fMet-tRNAfMet, факторов инициации и большой рибосомной субъединицы. ГТФ гидролизуется с образованием ГМФ и фосфата.
2. На стадии элонгации ГТФ и факторы элонгации учавствуют в процессе связывания аминоацил-тРНК, нагруженной аминокислотой, с А-участком рибосомы. Под действием фермента пептидилтрансферазы образуется пептидная связь. Движение рибосомы вдоль мРНК транслоцирует тРНК из А-сайта в Р-сайт за счет энергии гидролиза ГТФ. "Отработавшая" тРНК высвобождается из Е-участка.
3. После повторения нескольких циклов элонгации, на стадии терминации, синтез полипептида останавливается факторами терминации.
Полипептид сворачивается в биологически активную конформацию и транспортируется к "рабочему месту".
Несмотря на множество открытий в биохимии и значимую работу, проделанную разными учеными в области этой науки, некоторые аспекты синтеза белков еще не установлены. Например, зачем нужны молекулы рРНК и как случилось, что они приобрели главенствующую роль в структуре и функции рибосом? На этот и другие вопросы науке предстоит ответить.
Список литературы
1. Дроздов, А.Л. Биология для физиков и химиков / А.Л. Дроздов. Владивосток: Изд-во Дальневосточного. ун-та, 2005. 414 с.
2. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 329 с.,ил.
3. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с англ.: М.: Мир, 1993. 415 с., ил.
4. Ратнер В. А.Генетический код как система. Соросовский образовательный журнал, 2000, 6, № 3, с. 17-22.
5. Спирин А. С.Принципы структуры рибосом. Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с. 65-70.
6. Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и биосинтез белка: учебник для студ. высш. проф. образования / А. С. Спирин. М.: Издательский центр «Академия», 2011. 496 с., [16] с. цв. ил.
7. Фаворова О. О. Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков. Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с. 71-77.
8. Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. Под ред. И. Л. Кнунянца. 1988.
9. Alberts, B., Wilson, J. and Hunt, T. (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science.
10. Itoh, Y., Chiba, S., Sekine, S. and Yokoyama, S. (2009). Crystal structure of human selenocysteine tRNA.Nucleic Acids Research, 37(18), pp.6259-6268.
11. Itoh, Y., Sekine, S., Suetsugu, S. and Yokoyama, S. (2013). Tertiary structure of bacterial selenocysteine tRNA. Nucleic Acids Research, 41(13), pp. 6729-6738.
12. Lehninger, A., Nelson, D. and Cox, M. (2000). Lehninger principles of biochemistry. New York: Worth Publishers.
13. Marshall W. Nirenberg - Nobel Lecture: The Genetic Code. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 29 Mar 2015. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1968/nirenberg-lecture.html.
14. Svidritskiy, E., Brilot, A., Koh, C., Grigorieff, N. and Korostelev, A. (2014). Structures of Yeast 80S Ribosome-tRNA Complexes in the Rotated and Nonrotated Conformations. Structure, 22(8), pp.1210-1218.
Структуры молекул взяты из RCSB Protein Data Bank и ChemSpider.