Биологическая химия - часть 127

аминокислот был впервые решен вопрос о месте синтеза белка; им ока-

залась рибосома. При введении крысам

 15

N-аминокислот и определении

радиоактивности белков в различных субклеточных фракциях печени, по-

лученных методом дифференциального центрифугирования через различ-

ные промежутки времени, было показано, что радиоактивная метка в

первую очередь появляется во фракции микросом и лишь затем в других

субклеточных образованиях. Во-вторых, добавление АТФ к белоксинте-

зирующей системе цитозоля вызывало «активирование» аминокислоты

и связывание ее с термостабильной и растворимой формой РНК, впо-

следствии названной транспортной (тРНК), что приводило к образованию

комплекса, названного позже аминоацил-тРНК. Ферменты, катализиру-

ющие этот процесс, сейчас называются аминоацил-тРНК-синтетазами.

В-третьих, выяснена роль самих адапторных РНК в процессе трансляции.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск других ком-

понентов белоксинтезирующей системы.

Б е л о к с и н т е з и р у ю щ а я система включает набор всех 20 амино-

кислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных тРНК,

обладающих специфичностью к определенному ферменту и определенной

аминокислоте; набор минимум 20 различных ферментов – аминоацил-

тРНК-синтетаз, также обладающих двойной специфичностью к какой-либо

определенной аминокислоте и к одной тРНК; рибосомы (точнее, полисомы,

состоящие из 4–12 монорибосом с присоединенной к ним мРНК); АТФ

и АТФ-генерирующую систему ферментов; ГТФ, принимающий специ-

фическое участие в стадиях инициации и элонгации синтеза белка в

рибосомах; ионы Mg

2+

 в концентрации 0,005–0,008 М; мРНК в качестве

главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка,

синтезирующегося в рибосоме; наконец, белковые факторы, участвующие

в синтезе на разных уровнях трансляции. Основные компоненты белок-

синтезирующей системы про- и эукариотов в разные стадии синтеза белка

обобщены в табл. 14.1.

Рассмотрим более подробно структуру и функцию главных компонентов

белоксинтезирующей системы.

Рибосомы

Как известно, живые организмы в зависимости от структуры клеток делятся

на две группы – прокариоты и эукариоты. Первые не содержат ограни-

ченного мембраной ядра и митохондрий или хлоропластов; они пред-

ставлены главным образом микроорганизмами. Клетки эукариот животных

и растений, включая грибы, напротив, содержат ядра с мембранами,

а также митохондрии (в ряде случаев и хлоропласты) и другие субклеточные

органеллы.

Оба типа клеток имеют рибосомы, причем рибосомы эукариот (мол.

масса 4,2•10

6

) значительно большего размера (23 нм в диаметре), чем

рибосомы прокариот (мол. масса 2,5•10

6

, 8 нм в диаметре). Обычно

рибосомы характеризуют по скорости их седиментации в центрифужном

поле, которая количественно выражается константой седиментации s в

единицах Сведберга S (см. главу 1). Величина s зависит не только от

размера частиц, но и от формы и плотности, так что она непропор-

циональна размеру. Число рибосом в микробной клетке равно примерно

10

4

, а эукариот – около 10

5

.

Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие

из РНК и белков, причем 80S рибосомы эукариот содержат примерно

513

Рис. 14.2. Компоненты рибосом прокариот и эукариот (схема).

равное их количество, а у 70S рибосом прокариот соотношение РНК и белка

составляет 65% и 35% соответственно (рис. 14.2). РНК рибосом принято

называть рибосомными и обозначать рРНК. Как 80S, так и 70S рибосомы

состоят из двух субчастиц, которые можно увидеть под электронным

микроскопом или после обработки рибосом растворами, содержащими

низкие концентрации ионов Mg

2 +

. При этих условиях рибосомы дис-

социируют на субчастицы; последние могут быть отделены друг от друга

методом ультрацентрифугирования. Одна из субчастиц по размерам

в 2 раза превышает вторую. Так, у 70S рибосом величины s для субчастиц

равны 50S и 30S, у 80S рибосом – соответственно 60S и 40S (см. рис. 14.2).

Укажем также, что у Е. coli большая и малая субчастицы содержат 34 белка

и 21 белок соответственно и, кроме того, 2 молекулы рРНК с коэф-

фициентами седиментации 23S и 5S в большой и одну молекулу рРНК (16S)

в малой субчастице. Рибосомные белки не только все выделены, но

и секвенированы; отличаются большим разнообразием молекулярной мас-

сы (от 6000 до 75000). Считается, что все 55 бактериальных рибосомных

белков участвуют в синтезе полипептидов в качестве ферментов или

структурных компонентов, но, за исключением небольшого числа, де-

тальная функция большинства из них не выяснена. РНК 23S и 5S содержат

3200 и 120 нуклеотидов соответственно, a 16S РНК – 1540 нуклеотидов.

Субчастицы рибосом клеток эукариот построены более сложно. В их

составе четыре разные рРНК и более 70 разных белков в обеих субчастицах,

при этом большая субчастица (60S) содержит три разного размера рРНК:

28S (4700 нуклеотидов), 5,8S (160 нуклеотидов) и 5S (120 нуклеотидов) – и

около 49 белков. Малая субчастица (40S) содержит всего одну молекулу 18S

рРНК и около 33 белков. Укажем также, что биологические функции

компонентов эукариотических рибосом также связаны, вероятнее всего,

с синтезом полипептидной цепи, но их конкретная роль недостаточно

раскрыта.

514

Прокариоты

70S

5S рРНК

(120 нукл.)

23S рРНК

(3200 нукл.)

34 белка

50S

30S

0,01 мМ

Мg

2+

16S рРНК
(1540 нукл.)

21 белок

Эукариоты

80S

5S рРНК

(120 нукл.)

5,8S рРНК
(160 нукл.)

28S рРНК

(4700 нукл.)

~ 49 белков

60S

40S

18S рРНК

(1900 нукл.)

~ 33 белка

0,01 мМ

Mg

2+

Рибосомы представляют собой сложную молекулярную «машину»

(«фабрику») синтеза белка. Для выяснения тонких механизмов синтеза

белка в рибосомах необходимы более точные сведения о структуре и

функциях всех компонентов рибосом. В последнее время получены данные,

свидетельствующие о вероятной пространственной трехмерной структуре

как целых рибосом, так и их субчастиц. В частности, выяснено, что форму

и размеры 30S и 40S субчастиц рибосом предопределяют не белковые

молекулы этих частиц, а третичная структура входящих в их состав 16S

и 18S рРНК. Более того, по данным акад. А.С. Спирина, для сохранения

пространственной морфологической модели всей 30S субчастицы оказалось

достаточным наличие только двух белков (из 21), содержащихся в оп-

ределенных топографических участках молекулы 16S рРНК.

Известно, что рРНК образуется из общего предшественника всех типов

клеточных РНК, в свою очередь синтезирующегося на матрице ДНК в ядре

(см. главу 13). Рибосомные белки имеют цитоплазматическое происхож-

дение, затем они транспортируются в ядрышки, где и происходит спон-

танное образование рибосомных субчастиц путем объединения белков

с соответствующими рРНК. Объединенные субчастицы вместе или врозь

транспортируются через поры ядерной мембраны обратно в цитоплазму,

где группа рибосом вместе с мРНК образует полисомы или полирибосомы,

принимающие непосредственное участие в синтезе белка.

Аминоацил-тРНК-синтетазы

Экспериментально доказано существование в любых клетках живых ор-

ганизмов специфических ферментов, катализирующих активирование ами-

нокислот и связывание последних с определенными тРНК. Все эти фер-

менты выделены в чистом виде из Е. coli, секвенированы, и для ряда их

установлена трехмерная структура.

Все они оказались чувствительными к реагентам на SH-группы и

требуют присутствия ионов Mg

2+

. Ферменты обладают абсолютной спе-

цифичностью действия, поскольку они узнают только одну какую-либо

L-аминокислоту или одну тРНК. Для тех аминокислот, для которых

открыты две и более тРНК (см. далее), соответствующая аминоацил-

тРНК-синтетаза катализирует аминоацилирование всех этих тРНК. Это

обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в дальнейшем в белковом

синтезе «узнавание» аминоацил-тРНК основано не на природе амино-

кислоты, а на химической природе  а н т и к о д о н а тРНК. Считается, что

в молекуле каждой аминоацил-тРНК-синтетазы имеется по крайней мере

3 центра связывания: для аминокислоты, тРНК и АТФ; ферменты весьма

чувствительны также к аналогам аминокислот, которые ингибируют ак-

тивирование соответствующих аминокислот. Некоторые ферменты состоят

из одной полипептидной цепи, другие – из двух или четырех гомологичных

или гетерогенных субъединиц.

Аминоацил-тРНК-синтетазы в последнее время стали делить на 2 класса

в соответствии с различиями в их первичной и третичной структурах,

а также в зависимости от своеобразия механизма катализируемой реакции.

Первый класс включает ферменты, катализирующие синтез аминоацил-

тРНК следующих аминокислот: Арг, Вал, Глн, Глу, Иле, Лей, Мет, Тир,

Трп, Цис; второй класс – аминокислот Ала, Асн, Асп, Гис, Гли, Лиз, Про,

Сер, Тре, Фен. Оказалось, что ферменты 1-го класса обеспечивают перенос

аминоацильной группы сначала ко второй 2'-ОН-группе терминального

остатка адениловой кислоты, затем перемещение ее к 3'-ОН-группе (путем

515

реакции трансэтерификации), в то время как ферменты 2-го класса ката-

лизируют перенос аминоацильной группы непосредственно к 3'-ОН-группе

концевого аденилового нуклеотида.

Аминоацил-тРНК-синтетазы в активном центре содержат гистидин,

имидазольное кольцо которого участвует в связывании АТФ посредством

ионов Mg

2 +

. Наибольшим сродством эти ферменты, как было указано,

обладают к молекулам специфических тРНК, хотя конкретный механизм,

посредством которого ферменты узнают подходящую РНК, пока неясен.

В то же время эти ферменты отличаются низкой молярной активностью

(число оборотов не превышает нескольких сот каталитических актов в

минуту).

Рис. 14.3. Структура тРНК.

а - общая структура различных тРНК; б - пространственная структура тРНК.

516

Участок

связывания

аминокислот

Петля,

содержащая

дигидроуридин

а

Петля,

содержащая

антикодон

Псевдоуридиловая

петля

Добавочная

петля

Пиримидин

Пурин

Антикодон

Псевдоуридиловая

петля

Участок

связывания

аминокислот

Петля,

содержащая

дигидроуридин

б

Петля,

содержащая

антикодон