Аминокислоты
и их символы
|
Кодоны
|
A C D E F G H I K L M N P A R S T V W
Y
|
Ala Cys Asp Glu Phe Gly His Ile Lys Leu Met
Asn Pro Gln Arg Ser Thr Val Trp Tyr
|
Alanine Cysteine Aspartic acid Glutamic acid
Phenylalani Glycine Histidine Isoleucine Lysine Leucine Methionine Asparagine
Proline Glutamine Arginine Serine Threonine Valine Tryptophan Tyrosine
|
Аланин
Цистеин Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота Фенилаланин Глицин
Гистидин Изолейцин Лизин Лейцин Метионин Аспарагин Пролин Глутамин Аргинин
Серин Треонин Валин Триптофан Тирозин
|
GCA GCC GCG GCU UGC UGU GAC GAU GAA GAG UUC
UUU GGA GGC GGG GGU CAC CAU AUA AUC AUU AAA AAG UUA UUG CUA CUC CUG CUU AUG
AAC AAU CCA CCC CCC CCU CAA CAG AGA AGG CGA CGC CGG CGU AGC AGU UCA UCC UCG
UCU ACA ACC ACG ACU GUA GUC GUG GUU UGG UAC UAU
|
|
|
|
|
|
4.
Транспортные РНК и аминоацил-тРНК-синтетазы
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.
Рисунок 6. Вторичная структура тРНК
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.
Пространственная структура
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.
Рисунок 7. Третичная структура тРНК
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.
Рисунок 8. Обобщенная структура
аминоацил-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).
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
Рибосомы
Синтез белка происходит в рибосоме. Рибосома -
сложный макромолекулярный аппарат, состоящий из более 50 белков, называемых
рибосомными белками, и нескольких молекул РНК, называемых рибосомными РНК.
Число рибосом в клетке различно. Оно зависит от интенсивности белкового синтеза
в данном типе клеток. Обычная эукариотческая клетка содержит миллионы рибосом.
Рисунок 10. Комплекс 80S рибосома-мРНК-тРНК
клетки дрожжей
Эукариотические и прокариотические рибосомы
схожи в строении и функциях и различаются лишь числом и размером рРНК и
рибосомных протеинов.
Строение рибосомы приведено на рисунке 10 на
примере рибосомы дрожжей (Рисунок 10).
Рибосомы имеют размер 25-30 нм. Они состоят из
двух неравных субъединиц. Субъединицы эукариотических рибосом формируются в
ядре из рРНК, ассоциированных с рибосомными белками, которые транспортируются в
ядро после синтеза в цитоплазме. Две субъединицы рибосомы затем выходят в
цитоплазму, где соединяются воедино для участия в синтезе белка.
Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) -
основные компоненты рибосом, составляют большую часть их массы. Молекулы рРНК
определяют структуру, физические и химические свойства, функции рибосом, а
также расположение рибосомных белков в субчастицах рибосом.
Малые субчастицы рибосом содержат одну молекулу
рРНК, большие - две.
Молекулы рРНК являются совокупностью коротких
одноцепочечных и двухспиральных участков, образующихся за счет комплементарного
спаривания участков одной и той же полинуклеотидной цепи.
В субъединицах рибосом рРНК компактно упакованы
благодаря ионам двухвалентных металлов и рибосомным белкам. Основная часть рРНК
располагается внутри рибосомных субчастиц. Отдельные участки рРНК находятся на
поверхности субчастиц. Они выполняют важную биололическую роль, формируя функциональные
центры рибосом (центры связывания матричных и транспортных РНК и белковых
факторов трансляции).
Рибосомная РНК концентрируется в основном ближе
к центру частиц, тогда как масса рибосомных белков занимает в среднем более
периферическое положение. Можно сделать вывод, что свернутая молекула
высокополимерной рибосомной РНК - это структурное ядро рибосомной субчастицы,
определяющее и ее компактность, и ее форму, и организацию на ней рибосомных
белков. То есть рибосома есть прежде всего ее РНК (Рисунок 11).
Рисунок 11. Рибосомные белки и рибосомная РНК
Многочисленные рибосомные белки могут
участвовать в функциях связывания субстратов и каталитических функциях
рибосомы, локализуясь в соответствующих функциональных центрах и обеспечивая их
своими активными группами; рибосомные белки могут служить стабилизаторами или
модификаторами определенных локальных структур рибосомной РНК и таким образом
поддерживать их в функционально активном состоянии или способствовать их переключениям
из одного состояния в другое.
Когда рибосома не участвует в синтезе белков,
две субъединицы разделены. Они соединяются с мРНК (обычно возле 5'-конца) для
инициации синтеза белков. Затем мРНК продвигается через рибосому, и по мере
вхождения кодонов в ядро рибосомы, нуклеотидная последовательность мРНК
транслируется в аминокислотную поледовательность с помощью тРНК в качестве
адаптора, чтобы приоединять каждую аминокислоту в правильном порядке к концу
растущего белка. Когда считывается терминаторный кодон, из рибосомы выходит
синтезированный белок, и две субъединицы снова разделяются. Эти субъединицы
могут снова быть использованы для синтеза другого белка по другой молекуле
мРНК.
Обычно одна молекула мРНК читается сразу
несколькими рибосомами, двигающимися вдоль мРНК друг за другом и, таким
образом, независимо синтезирующими идентичные молекулы белка, но с
соответствующим отставанием. Такой динамический комплекс одной мРНК с
несколькими рибосомами называется полирибосомой.
Рисунок 12. Функциональные участки рибосомы
Рибосомы работают чрезвычайно продуктивно: в
секунду одна рибосома эукариотической клетки присоединяет 2 аминокислоты к
полипептидной цепи, рибосомы бактериальных клеток функционируют еще быстрее -
около 20 аминокислот в секунду. Такая продуктивность объясняется наличием
четырех функциональных участков (сайтов) для РНК молекул (Рисунок 12) - один
для мРНК и три для тРНК:
· А-сайт (aminoacyl-tRNA -
аминоацил-тРНК)
· Р-сайт (peptidyl-tRNA -
пептидил-тРНК)
· Е-сайт (exit - выход)
· мРНК-связывающий участок
Молекула тРНК крепится к А- и Р-сайтам только
если её антикодон образует пары оснований с комплементарным кодоном молекулы
мРНК. А- и Р-сайты расположены близко друг к другу чтобы две их тРНК молекулы
формировали пары нуклеотидов с примыкающим кодоном молекулы мРНК. Эта
особенность рибосомы обеспечивает правильное считывание мРНК.
Рибосомы разных клеток различаются по размерам,
которые определяются по скорости осаждения при центрифугировании. Скорость осаждения
измеряется в единицах Сведберга (S).
Сведберг - это отношение скорости седиментации к центробежному ускорению, 1S =
10-13 секунд. Коэффициенты седиментации разных рибосом варьируют от
5S до 80S.
У прокариот рибосомы имеют коэффициент 70S,
а рибосомы цитоплазмы эукариот- 80S.
Диссоциация рибосом в случае прокариот и
эукариот соответственно:
70S "
50S + 30S
S "
60S + 40S
6.
Трансляция
Трансляция
- непосредственный процесс синтеза белка рибосомой. Трансляция проходит в три
стадии: инициация, элонгация, терминация.
Стадия инициации
Трансляция у бактерий и в эукариотических
клетках в общем схожи, но различаются механизмом инициации. Для инициация
белкового синтеза в бактериях необходимы 30S и 50S рибосомные единицы, мРНК,
молекула тРНК, аминоацилированная N-формилметионином - fMet-tRNAfMet,
три белка, называемые факторами инициации, гуанозинтрифосфат (ГТФ), Mg2+.
В процессе работы рибосома потребляет энергию гидролиза гуанозинтрифосфата
(Рисунок
13).
Рисунок 13. Структура гуанозинтрифосфата
Комплекс 30S субъединицы с факторами инициации
распознает участки связывания рибосомы (сайты), которые содержат инициаторный
кодон AUG, и специальную последовательность Шайна- Дальгарно, служащую
для отличия AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. В результате
инициации образуется 70S рибосома - инициирующий комплекс, содержащий
мРНК и fMet-tRNAfMet,
связанную с P-участком рибосомы. Комплекс готов к элонгации.
В эукариотических клетках имеется как минимум
девять факторов инициации. Инициирующий кодон AUG распознается не
последовательностью Шайна-Дальгарно, а сканированием мРНК с 5'-конца до первого
AUG и соответствующим расположением рамки считывания.
Стадия элонгации
Стадия элонгации требует комплекс инициации,
аминоацил-тРНК, факторы элонгации (растворимые цитозольные белки) и
гуанозинтрифосфат (ГТФ).
Синтез происходит на рибосоме путем
последовательного добавления одного аминокислотного остатка за другим к
строящейся полипептидной цепи; таким путем осуществляется элонгация (удлинение)
пептида. Каждый новый аминокислотный остаток добавляется к карбоксильному концу
(С-концу) пептида, т. е. С-конец пептида является растущим. Добавление одного
аминокислотного остатка соответствует прочтению одного нуклеотидного триплета.
Элонгация проходит в три этапа, которые
повторяются пока есть остатки аминокислот для присоединения.
На первом шаге аминоацил-тРНК молекула,
нагруженная аминокислотой крепится к А-сайту рибосомы, а
"отработавшая" тРНК высвобождается с Е-сайта (от exit
- выход).
На втором шаге формируется новая пептидная связь
под действием фермента пептидилтрансферазы.
На третьем шаге происходит транслокация: большая
субъединица занимает позицию относительно малой субъединицы, оставляя две тРНК
в гибридных сайтах: в Р-сайте на большой субъединице и А-сайте на малой для
одной тРНК и в E-сайте на
большой субъединице и Р-сайте на малой для другой. Затем малая субъединица
перемещается вместе с мРНК на три нуклеотида, освобождая А-сайт для следующей
тРНК и цикл повторяется снова. Молекула мРНК транслируется с 5'-конца к
3'-третьему, а синтез протеина начинается с N-конца.
С началом каждого цикла аминокислота крепится к C-концу
полипептидной цепи.
Стадия терминации
Элонгация продолжается до тех пор пока рибосома
не присоединит последнюю аминокислоту. Терминация начинается при присутствии
одного из трех терминаторных кодонов в мРНК (UAA, UAG, UGA), которые следуют
сразу за последней аминокислотой. Когда рибосома достигнет терминирующего
кодона мРНК, синтез полипептида прекращается. В бактериях, если терминаторный
кодон имеет место быть в А-сайте рибосомы, в дело вступают три фактора
терминации, которые участвуют в гидролизе пептидил-тРНК связи; освобождении
полипептида и последней, уже ненагруженной тРНК из Р-сайта; диссоциации 70S
рибосомы на 30S и 50S
субъединицы, готовых начать новый цикл синтеза белка. Таким образом, каждая
рибосома проходит полный цикл трансляции, включающий инициацию, элонгацию и
терминацию; в результате такого эпицикла прочитывается вся кодирующая
последовательность мРНК и синтезируется законченная полипептидная цепь белка.
После этого рибосома может повторить цикл с другой цепью мРНК или другой
кодирующей последовательностью той же цепи.
7.
Сворачивание и транспорт белков
Процесс экспрессии генов не заканчивается на
построении аминокислотной последовательности, составляющей протеин, с помощью
генетического кода. Чтобы быть полезным клетке, новый пептид должен
подвергнутся процессингу: свернутся в трехмерную нативную конформацию,
присоединить какие-либо молекулы, необходимые для его активности,
модифицироваться под действием протеинкиназ и других энзимов и правильно
соединиться с другими частями белка, с которыми он функционирует.
Информация, нужная для всех этих процессов
содержится в последовательности связанных аминокислот, которые производит
рибосома, когда транслирует мРНК в полипептидную цепь. Когда протеин
сворачивается в компактную структуру, гидрофобные звенья обращаются внутрь
глобулы. Формируется большая часть нековалентных взаимодействий между различными
участками молекул. Итогом всех этих энергетически выгодных взаимодействий,
определяющих свернутую структуру полипептидной цепи является конформация с
самой низкой энергией.
За миллионы лет эволюции аминокислотная
последовательность каждого протеина была выбрана определенным образом не только
для конформации, которую он принимает, но также для быстрого сворачивания. Для
некоторых белков сворачивание начинается с N-конца
сразу после выхода полипептида из рибосомы. В этом случае, как только протеин
покидает рибосому, через несколько секунд он формирует компактное строение,
содержащее окончательную вторичную структуру (спирали и -листы).
Большинство белков не сворачиваются во время
синтеза. Вместо этого они "встречаются" у рибосомы с отдельным
классом белков, называемых шаперонами. Связывание с шаперонами
обеспечивает правильное сворачивание белка в нативную конформацию.
Основные этапы процессинга:
· Модификация N-конца и С-конца
· Удаление сигнальных
последовательностей
· Фосфорилирование гидраксиаминокислот
· Реакции карбоксилирования
· Метилирование групп
· Присоединение боковых углеводных
цепей
· Добавление простетических групп
· Образование дисульфидных мостиков
Внутриклеточная сортировка белков
Эукариотические клетки состоят из множества
структур, органелл и отсеков со специфичными функциями, которые требуют
определенный набор белков. Эти белки (за исключением тех, которые синтезируются
в митохондрих и пластидах) производятся рибосомами в цитозоле.
Белки предназначенные для секреции, интеграции в
плазматическую мембрану, включения в лизосомы, обычно проходят первые несколько
стадий внутриклеточной сортировки. Белки для митохондрий, пластид и ядра
используют при отдельных механизм. Белки, предназначенные для цитозоля, остаются
там, где были синтезированы.
Важнейшим элементом в процессе сортировки белков
является короткая последовательность аминокислот - сигнальная
последовательность белка (лидер). Она направляет белок на предназначенное
ему место и удаляется во время транспорта или по прибытию белка в конечный
пункт. В процессе синтеза любого белка, в том числе предназначенного на
«экспорт», сигнальные лидеры, будучи расположены на N-конце, образуются
первыми. Такие лидеры узнаются особыми рецепторными участками на внешней поверхности
эндоплазматического ретикулума, причем это происходит даже раньше, чем рибосома
полностью завершит синтез белка. Гидрофобная жирорастворимая часть лидирующей
последовательности проникает сквозь мембрану внутрь цистерн эндоплазматического
ретикулума, протаскивая за собой растущую полипептидную цепь. Внутри цистерн
под действием особой пептидазы сигнальный лидер отщепляется. После этого зрелый
белок направляется в аппарат Гольджи, инкапсулируется и в виде секреторного
пузырька покидает наконец клетку.
8.
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:
· акцепторный стебель
· D шпилька
· T
шпилька
· Антикодоновая шпилька
Транспортные РНК выполняют акцепторную и адапторную
функции.
Рост полипептида
в рибосоме начинается с N-конца добавлением новых аминокислотных остатков и
завершается на C-конце.
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.
. 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.
9.Список
литературы
1.Дроздов, А.Л. Биология для физиков
и химиков / А.Л. Дроздов. - Владивосток: Изд-во Дальневосточного. ун-та, 2005.
- 414 с.
.Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х
т. Т. 3. Пер. с англ.-М.: Мир, 1985.-329с.,ил.
.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.
.Ратнер В. А.Генетический код как
система - Соросовский образовательный журнал, 2000, 6, № 3, с.17-22.
.Спирин А. С.Принципы структуры
рибосом - Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с.65-70.
.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.
.Фаворова О. О. Строение
транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза
белков - Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с.71-77.
.Химическая энциклопедия. - М.:
Советская энциклопедия. Под ред. И. Л. Кнунянца. 1988.
.Alberts, B., Wilson, J. and
Hunt, T. (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science.
.Itoh, Y., Chiba, S., Sekine,
S. and Yokoyama, S. (2009). Crystal structure of human selenocysteine
tRNA.Nucleic Acids Research, 37(18), pp.6259-6268.
.Itoh, Y., Sekine, S.,
Suetsugu, S. and Yokoyama, S. (2013). Tertiary structure of bacterial selenocysteine
tRNA. Nucleic Acids Research, 41(13), pp.6729-6738.
.Lehninger, A., Nelson, D. and
Cox, M. (2000). Lehninger principles of biochemistry. New York: Worth
Publishers.
.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
.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.