содержание .. 124 125 126 127 ..

Биологическая химия - часть 126

Глава 14

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Целое есть нечто большее,

чем простая сумма его частей.

Платон

Одной из глобальных задач современной биологии и ее новейших разделов:

молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической био-

логии – является выяснение молекулярных основ и тонких механизмов

синтеза белка, содержащего сотни, а иногда и тысячи остатков L-амино-

кислот. Последние располагаются, как это установлено, не хаотично,

а в строго заданной последовательности, обеспечивая тем самым уни-

кальность структуры синтезированной белковой молекулы, наделенной

уникальной функцией. Другими словами, механизм синтеза должен об-

ладать весьма тонкой и точной кодирующей системой, которая авто-

матически программирует включение каждого аминокислотного остатка

в определенное место полипептидной цепи. Установлено, что кодирующая

система однозначно определяет первичную структуру, в то время как

вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются фи-

зико-химическими свойствами и химической структурой радикалов амино-

кислот в полипептиде.

Первоначально представляли, что синтез белка могут катализировать те

же протеолитические ферменты, которые вызывают и его гидролиз, но

путем обратимости химической реакции. Однако оказалось, что синте-

тические и катаболические реакции протекают не только различными

путями, но даже в разных субклеточных фракциях. Не подтвердилась также

гипотеза о предварительном синтезе коротких пептидов с последующим их

объединением в одну полипептидную цепь. Более правильным оказалось

предположение, что для синтеза белка требуются источники энергии,

наличие активированных свободных аминокислот и нескольких типов

клеточных нуклеиновых кислот.

В выяснение молекулярных механизмов синтеза белка определенный

вклад внесли российские биохимики. Так, в лаборатории А.Е. Браунштейна

было впервые указано на участие АТФ в синтезе квазипептидных связей (на

примерах гиппуровой кислоты, глутамина, глутатиона и ацетанилида).

В.Н. Орехович еще в 50-е годы установил, что перенос аминоацильных или

пептидильных группировок на NH

-группу аминокислот может осуществ-

ляться не только с амидной или пептидной, но и со сложноэфирной связи.

Как будет показано далее, именно этот механизм лежит в основе реакции

транспептидирования в 50S рибосоме в стадии элонгации синтеза белка.

Значительно позже были получены доказательства, что в синтезе белка,

протекающем в основном в цитоплазме, решающую роль играют нуклеи-

новые кислоты, в частности ДНК. После того как было установлено, что

ДНК является носителем и хранителем наследственной информации, был

поставлен вопрос о том, каким образом эта генетическая информация,

записанная (зашифрованная) в химической структуре ДНК, трансформи-

509

Рис. 14.1. Принципиальная схе-

ма биосинтеза белка (по
А.С. Спирину).

Красные кружочки - свободные

аминокислоты и их остатки в соста-

ве полипептидной цепи.

руется в фенотипические признаки и функциональные свойства живых

организмов, передающиеся по наследству. В настоящее время можно дать

однозначный ответ на этот вопрос: генетическая информация програм-

мирует синтез специфических белков, определяющих в свою очередь спе-

цифичность структуры и функции клеток, органов и целостного организма

(рис. 14.1). В природе, как известно, существует два типа биополимерных

макромолекул: так называемые неинформативные биополимеры (они

представлены повторяющимися мономерными единицами и/или разветв-

ленными структурами, например полисахариды, поли-АДФ-рибоза, пеп-

тидогликаны, гликопротеины) и информативные биополимеры, несущие

первичную генетическую информацию (нуклеиновые кислоты) и вторичную

генетическую, точнее фенотипическую, информацию (белки). Эти общие

представления могут быть выражены следующей последовательностью

событий (поток информации):

ДНК –> РНК –> Белок –> Клетка –> Организм

Значительный вклад в современные представления о месте, факторах

и механизме синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, М. Хоглан-

да, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, М. Ниренберга, Н. Горовица,

Ф. Гауровица, С. Вейсса и российских биохимиков А.А. Баева, А.Н. Бело-

зерского, А.С. Спирина и др.

Не останавливаясь на всех исторических аспектах развития этой важ-

нейшей проблемы, следует напомнить, что еще в 40-х годах было уста-

510

Г е н

ДНК

мРНК

Я д р о

Рибосома

тРНК

Белок

Цитоплазма

новлено, что ДНК локализована в ядре клетки, в то время как синтез белка

протекает главным образом в микросомах цитоплазмы. Первые экспе-

риментальные доказательства необходимости нуклеиновых кислот для

синтеза белка были получены в лаборатории Т. Касперсона. Было показано

также, что присутствующие в цитоплазме рибонуклеиновые кислоты

контролируют синтез цитоплазматических белков. Таким образом, уже

тогда вырисовывалась картина тесной связи между ДНК, локализованной

в ядре *, и синтезом белка, протекающим в цитоплазме и регулирующимся

рибонуклеиновыми кислотами, которые были открыты как в цитоплазме,

так и в ядре. На основании этих чисто морфологических данных было

сделано заключение, полностью подтвержденное в настоящее время, что

биосинтез белка, хотя непосредственно и регулируется рибонуклеиновыми

кислотами, опосредованно связан с контролирующим влиянием ДНК ядра

и что РНК сначала синтезируется в ядре, затем поступает в цитоплазму, где

выполняет роль матрицы в синтезе белка. Полученные значительно позже

экспериментальные данные подтвердили гипотезу о том, что основными

функциями нуклеиновых кислот являются хранение генетической инфор-

мации и реализация этой информации путем программированного синтеза

специфических белков.

В последовательности ДНК —> РНК —> Белок недоставало сведений о

том, каким образом происходят расшифровка наследственной информации

и синтез специфических белков, определяющих широкое разнообразие

признаков живых существ. В настоящее время выяснены основные про-

цессы, посредством которых осуществляется передача наследственной ин-

формации: р е п л и к а ц и я , т.е. синтез ДНК на матрице ДНК; транскрип-

ция, т.е. синтез РНК на матрице ДНК или перевод языка и типа строения

ДНК на молекулу РНК (см. ранее), и т р а н с л я ц и я – процесс, в котором

генетическая информация, содержащаяся в молекуле мРНК, направляет

синтез соответствующей аминокислотной последовательности в белке.

Напомним, однако, что многие тонкие механизмы транскрипции и транс-

ляции окончательно еще неясны.

ТРАНСЛЯЦИЯ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИНТЕЗУ БЕЛКА

В БЕСКЛЕТОЧНОЙ СИСТЕМЕ

Непосредственное отношение к механизмам передачи наследственной ин-

формации, или экспрессии генов, имеет процесс трансляции, означающий

перевод «четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибук-

венную речь белков». Другими словами, трансляция сводится к синтезу

белка в рибосомах. В этом процессе только последовательность рас-

положения нуклеотидов в мРНК определяет первичную структуру белка,

т.е. строго упорядоченную последовательность расположения отдельных

аминокислотных остатков в молекуле синтезируемого белка.

Остановимся на анализе тех условий, которые необходимы для осу-

ществления синтеза белка в бесклеточной системе. В современных пред-

ставлениях о синтезе белка выдающуюся роль сыграли три эксперимен-

тальных подхода, разработанные в начале 50-х годов. Во-первых, в клас-

сических исследованиях П. Замечника и сотр. при использовании меченых

* Получены экспериментальные доказательства наличия ДНК также в митохондриях

(около 1-2% от суммарной ДНК клеток). Она негомологична и некомплементарна ядерной

ДНК. Установлено, что ДНК кодирует синтез некоторых структурных белков самих мито-

хондрий и особых митохондриальных РНК.

511

Т а б л и ц а 14.1. Состав белоксинтезирующей системы у про- и эукариот в разные

стадии синтеза белка

Стадия

1. Активация

аминокислот

2. Инициация

3. Элонгация

4. Терминация

5. Процессинг и

формирование

третичной

структуры

Прокариоты

20 аминокислот
20 аминоацил-тРНК-синтетаз

Минимум 20 тРНК

АТФ и Mg

мРНК
Инициаторная аминоацил-
тРНК (N-формилметионил-

тРНК)

Инициирующий кодон в мо-

лекуле мРНК (АУГ)

30S и 50S рибосомные

субчастицы

Факторы инициации:
IF-1, IF-2 и IF-3, ГТФ и Mg

Инициирующий комплекс

(функциональная 70S рибо-

сома)

Специфические тРНК, опре-

деляемые кодонами

Факторы элонгации:

EF-Tu, EF-Ts и EF-G,

ГТФ и Mg

2 +

Терминирующие кодоны в

молекуле мРНК: УАА, УАГ

и УГА

Факторы терминации

(рилизинг-факторы):

RF-1, RF-2, RF-3, АТФ

Специфические ферменты и

кофакторы, вызывающие ос-

вобождение инициирующих

остатков и сигнальных после-

довательностей, ограничен-

ный протеолиз и химическую

модификацию

Эукариоты

20 аминокислот
20 аминоацил-тРНК-синтетаз

Минимум 20 тРНК

АТФ и Mg

мРНК
Инициаторная аминоацил-
тРНК (метионил-тРНК)

Инициирующий кодон в мо-

лекуле мРНК (АУГ)

40S и 60S рибосомные

субчастицы

Факторы инициации:
eIF-1, eIF-2, eIF-2A, eIF-3,

eIF-4A, eIF-4B, eIF-4C, eIF-4D

и кэп-узнающий фактор, ГТФ

и Mg

2 +