Биологическая химия - часть 129

тидов – УУУ. Вскоре было показано, что синтетическая матричная поли-

цитидиловая кислота (поли-Ц) кодирует образование полипролина, а мат-

ричная полиадениловая кислота (поли-А) – полилизина; соответствующие

триплеты ЦЦЦ и ААА действительно оказались триплетами (кодонами)

для кодирования пролина и лизина.

В выяснении полного генетического кодового «словаря» выдающуюся

роль сыграли разработанные Г. Хорана подходы к синтезу полирибо-

нуклеотидов (искусственных мРНК) с определенными повторяющимися

триплетными последовательностями (кополимеры). Их потом использо-

вали в качестве матрицы в белоксинтезирующей системе. Образованные

при этом полипептиды содержали равные количества аминокислот в

полном соответствии с матрицей кополимера.

Вскоре в лабораториях М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Хорана, пользуясь

этими искусственно синтезированными мРНК, были представлены до-

казательства не только состава, но и последовательности триплетов всех

кодонов, ответственных за включение каждой из 20 аминокислот в бел-

ковую молекулу. Приводим полный кодовый «словарь», т.е. все 64 кодона:

Генетический код для аминокислот является  в ы р о ж д е н н ы м . Это оз-

начает, что значительное большинство аминокислот кодируется несколь-

кими кодонами. За исключением метионина и триптофана, по существу все

остальные аминокислоты имеют более одного специфического кодона.

Узнавание кодона мРНК антикодоном тРНК основано не только на

спаривании оснований, когда каждое основание кодона образует пару

оснований с комплементарным азотистым основанием антикодона. В этом

случае каждый антикодон, соответственно каждая молекула тРНК, может

в принципе узнавать только один кодон мРНК. Имеются данные о том, что

521

Первы

й

 нуклеоти

д

 кодон

а

У

Ц

А

Г

Второй нуклеотид кодона

У

Ц

А

Г

Трети

й нуклеоти

д

 кодон

а

УУУ

УУЦ

Фен

УУА
УУГ

Лей

ЦУУ
ЦУЦ
ЦУА

ЦУГ

Лей

АУУ

АУЦ
АУА

Иле

АУГ Мет +

 Иниц

ГУУ

ГУЦ
ГУА
ГУГ

Вал

+

 Иниц

УЦУ

УЦЦ

УЦА

УЦГ

Сер

ЦЦУ
ЦЦЦ
ЦЦА
ЦЦГ

Про

АЦУ
АЦЦ

АЦА

АЦГ

Тре

ГЦУ

ГЦЦ

ГЦА
ГЦГ

Ала

УАУ
УАЦ

Тир

УАА
УАГ

Терм

ЦАУ
ЦАЦ

Гис

ЦАА
ЦАГ

Глн

ААУ
ААЦ

Асн

ААА

ААГ

Лиз

ГАУ
ГАЦ

Асп

ГАА
ГАГ

Глу

УГУ
УГЦ

Цис

УГА
УГГ

Терм

Трп

У
Ц

А

Г

ЦГУ

ЦГЦ
ЦГА
ЦГГ

Арг

У
Ц

А

Г

АГУ
АГЦ

Сер

АГА

АГГ

Арг

У

Ц

А

Г

ГГУ
ГГЦ

ГГА

ГГГ

Гли

У

Ц

А

Г

некоторые тРНК могут узнавать более одного кодона. В частности,

показано, что аланиновая тРНК, выделенная из дрожжей, узнает 3 кодона:

ГЦУ, ГЦЦ и ГЦА. Как видно, различия касаются только природы 3-го

нуклеотида. В связи с этим была выдвинута гипотеза «качаний», пред-

полагающая, что на спаривание 3-го основания, очевидно, накладываются

менее строгие ограничения и что имеется неполное, неоднозначное со-

ответствие этого нуклеотида, являющееся, вероятнее всего, одной из причин

вырожденности генетического кода. Вырожденность кода оказывается не-

одинаковой для разных аминокислот. Так, если для серина, аргинина

и лейцина имеется по 6 кодовых «слов», то ряд других аминокислот,

в частности глутаминовая кислота, гистидин и тирозин, имеют по 2 кодона,

а триптофан – только 1. Вполне допустимо поэтому предположение, что

последовательность первых двух нуклеотидов определяет в основном спе-

цифичность каждого кодона, в то время как 3-й нуклеотид, очевидно, менее

существен. В последнее время появились сторонники возможности су-

ществования гипотезы два из трех, означающей, что код белкового

синтеза, возможно, является квази- или псевдодуплетным.

Оказалось, что вырожденность генетического кода имеет несомненный

биологический смысл, обеспечивая организму ряд преимуществ. В част-

ности, она способствует «совершенствованию» генома, так как в процессе

точечной мутации, вызванной химическими или физическими факторами,

возможны различные аминокислотные замены, наиболее ценные из ко-

торых отбираются в процессе эволюции.

Другой отличительной особенностью генетического кода является его

непрерывность, отсутствие «знаков препинания», т.е. сигналов, указы-

вающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами, код

является линейным, однонаправленным и непрерывающимся: АЦГУЦГАЦЦ.

Это свойство генетического кода обеспечивает синтез точной и в высшей

степени упорядоченной последовательности аминокислотных остатков в

молекуле белка. В противном случае последовательность нуклеотидов

в кодонах будет нарушена и приведет к синтезу «бессмысленной» поли-

пептидной цепи с измененной структурой и непредсказуемой функцией.

Следует указать еще на одну весьма существенную особенность кода – его

универсальность для всех живых организмов от Е. coli до человека. Код не

подвергся существенным изменениям за миллионы лет эволюции.

Среди 64 мыслимых кодонов 61 имеет смысл, т.е. кодирует опре-

деленную аминокислоту. В то же время три из них, а именно УАГ, УАА,

УГА, оказываются «бессмысленными»; они были названы нонсенс-кодо-

нами, так как не кодируют ни одной из 20 аминокислот. Однако эти кодоны

не лишены смысла, поскольку по крайней мере два из них выполняют

важную функцию сигналов терминации в синтезе полипептида в рибосомах

(функцию окончания, терминации синтеза).

При исследовании генетического кода в опытах in vivo также были

получены доказательства универсальности кода, однако в последние годы

выявлены некоторые особенности его в митохондриях животных, включая

клетки человека. Генетический код цитоплазмы отличается от такового

митохондрий 4 кодонами. Два кодона: АУГ, который обычно является

инициаторным кодоном, кодирует также метионин в цепи, и УГА, яв-

ляющийся нонсенс-кодоном, кодирует в митохондриях триптофан. Кодоны

АГА и АГГ являются для митохондрий скорее терминирующими, а не

кодирующими аргинин. В результате для считывания генетического кода

митохондрий требуется меньше разных тРНК, в то время как цито-

плазматическая система трансляции обладает полным набором тРНК.

522

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА

Синтез белка представляет собой циклический энергозависимый много-

ступенчатый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуются

в генетически детерминированную последовательность с образованием

полипептидов. Система белкового синтеза, точнее система трансляции,

которая использует генетическую информацию, транскрибированную в

мРНК, включает участие множества разнообразных молекул (низкомо-

лекулярные вещества и макромолекулы, а также надмолекулярные струк-

туры). В табл. 14.1 обобщены известные к настоящему времени данные

о составе белоксинтезирующей системы у про- и эукариот в каждой из

5 стадий синтеза, из которых 3 стадии (инициация, элонгация и терминация)

по аналогии со стадиями синтеза полимерных молекул ДНК и РНК (см.

главу 13) считаются главными и основными, а 2 стадии (активация

аминокислот и постсинтетический процессинг) рассматриваются в качестве

дополнительных, вспомогательных стадий синтеза. Более 100 макромо-

лекул участвует в активировании аминокислот и их переносе на рибосомы

(все тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы), более 60 макромолекул входит

в состав 70S и 80S рибосом, и около 10 макромолекул, называемых

белковыми факторами, принимающих непосредственное участие в системе

трансляции. Не разбирая подробно природу других важных для синтеза

факторов, рассмотрим механизм индивидуальных путей синтеза белковой

молекулы в искусственной синтезирующей системе. Прежде всего при

помощи изотопного метода было выяснено, что синтез белка начинается

с N-конца и завершается С-концом, т.е. процесс протекает в направлении

NН

2

 –> СООН.

Белковый синтез, или процесс трансляции, может быть условно разделен

на 5 стадий, из которых две считаются подготовительными и завер-

шающимися, в частности активирование аминокислот и постсинтетическая

модификация белковой молекулы, и 3 стадии составляют собственно

трансляцию.

Активирование аминокислот

Необходимым условием синтеза белка, который в конечном счете сводится

к полимеризации аминокислот, является наличие в системе не свободных,

а так называемых  а к т и в и р о в а н н ы х  а м и н о к и с л о т со своим внут-

ренним запасом энергии. Активация свободных аминокислот осуществля-

ется при помощи специфических ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз – в

присутствии АТФ.

Этот процесс протекает в две стадии:

523

Аминоацил-тРНК-

синтаза

Аминоациладенилат

Аминоациладенилат

Аминоацил-тРНК

АТФ

PP

i

I

II

+

 тРНК

+ АМФ

Обе стадии катализируются одним и тем же ферментом. На I стадии

аминокислота вступает в реакцию с АТФ, при этом освобождается пиро-

фосфат и образуется промежуточный продукт, который на II стадии

реагирует с соответствующей 3'-ОН-тРНК, в результате чего образуется

аминоацил-тРНК (аа-тРНК) и освобождается АМФ. Аминоацил-тРНК

располагает необходимым запасом энергии и имеет следующее строение:

Необходимо еще раз подчеркнуть, что аминокислота присоединяется

к свободному концевому 3'-ОН-гидроксилу (или 2'-ОН) АМФ, который

вместе с двумя остатками ЦМФ образует концевой триплет ЦЦА, яв-

ляющийся одинаковым для всех транспортных РНК.

Процессы трансляции

Многоступенчатый матричный синтез белка, или собственно трансляцию,

протекающую в рибосоме, также условно делят на 3 стадии: инициацию,

элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции. Стадия инициации, являющаяся «точкой от-

счета» начала синтеза белка, требует соблюдения ряда условий, в частности

наличия в системе, помимо 70S (или 80S) рибосом, инициаторной амино-

ацил-тРНК (аа-тРНК), инициирующих кодонов в составе мРНК и белковых

факторов инициации. Экспериментально доказано, что синтез белка ини-

циирует единственная аминокислота – метионин. В кодовом «словаре» име-

ется только один кодон для метионина (АУГ), однако во всех живых

организмах открыты две тРНК для метионина: одна используется при

инициации синтеза белка, другая – для включения метионина во внут-

реннюю структуру синтезируемого полипептида в стадии элонгации (см.

далее). Соответственно эти тРНК принято обозначать тРНК

фМет

 и тРНК

М е т

.

Укажем также, что эукариотическая клетка не нуждается в формилировании

метионина.

У прокариот синтез N-формилметионил-тРНК протекает в две стадии:

Данную стадию катализирует метионил-тРНК-синтетаза. Реакция нуж-

дается в доставке энергии гидролиза АТФ.

524

Метионин

АТФ

АМФ

 + РР

i

Метионил-тРНК-

синтетаза

Метионил-тРНК

фМет