Стандартный генетический код

Биосинтез белков.

Обратите особое внимание на современные представления о роли нуклеиновых кислот в биосинтезе белка. Роль информационной РНК как посредника в процессе передачи информации от ДНК к рибосоме. Активирование аминокислот. Транспортные РНК и их роль в биосинтезе белка.

Биосинтез белка представляет собой удивительный и очень сложный процесс. Сложный хотя бы потому, что в нем принима­ют участие многие биологические соединения и надмолекуляр­ные комплексы. Биосинтез белка является завершающим этапом реализации генетической информации, закодированной в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Посредником в передаче генетической информации является матричная, или информаци­онная, рибонуклеиновая кислота (мРНК). Биосинтез белка невоз­можен без участия еще двух видов РНК — транспортных (тРНК) и рибосомных (рРНК).

Нуклеиновые кислоты — био­полимеры, мономерами которых служат нуклеотиды, связанные между собой фосфодиэфирными связями.

В состав нуклеотидов входят следующие компоненты: углевод (рибоза в РНК, 2-дезоксирибоза в ДНК), азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил в РНК; аденин, гуанин, цитозин и тимин в ДНК), фосфорная кислота. Цримером трифосфатного нуклеотида может служить АТФ.

Транспортные РНК (тРНК) составляют 10% от всех РНК клетки. Основной функцией тРНК является перенос аминоацилов из ци­топлазмы на рибосому, где происходит биосинтез белка. Каждая тРНК способна связывать только одну аминокислоту, поэтому конкретную тРНК называют по названию аминокислоты, которую она связывает. Например, тРНК, связывающая аланин, называется аланиновой тРНК или сокращенно — тРНК^ала.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют основную массу клеточ­ных (80—85%). В клетках эукариот существует несколько разных рРНК, отличающихся массой и структурой: две высокомолекуляр­ные и две низкомолекулярные. Вместе с белками рРНК образуют рибосомы.

Рибосома представлена двумя субчастицами — большой и малой. Большая субчастица рибосомы состоит из одной высокомолеку­лярной рРНК, двух низкомолекулярных рРНК и 41 белка. В состав малой субчастицы рибосомы входит другая высокомолекулярная РНК и 31 белок. Кроме структурной, рРНК выполняют специ­фические функции в биосинтезе белка.

Матричные РНК (мРНК). На долю мРНК приходится 3,5% всех клеточных РНК. Матричные мРНК очень разнообразны, что понятно: в них закодирована информация о различных белках. Но, несмотря на это во всех мРНК выделяют сходные по струк­туре и функциям элементы. Так, в их составе есть информативные и неинформативные зоны. Информативные зоны являются матри­цей в биосинтезе белков; именно в этих зонах заложена информа­ция о структуре протеинов. Информативная зона любой мРНК начинается тринуклеотидом — кодоном АУТ, а заканчивается одним из трех кодонов — УАА, УГА, УАГ.

Неинформативные зоны, расположенные по обе стороны от информативной, участвуют в осуществлении регуляции биосин­теза белка.

Все упомянутые РНК взаимодействуют друг с другом в процессе биосинтеза белка. Основной принцип взаимодействия — комплементарность. Комплементарность — это взаимосоответствие азо­тистых оснований: аденину соответствует урацил, а гуанину — цитозин; пары комплементарных азотистых оснований связаны друг с другом водородными связями.

Условно процесс биосинтеза белка можно разделить на два эта­па, имеющих разную локализацию: первый этап — цитоплазматический, второй — рибосомный.

Цитоплазматический этап биосинтеза белка. Во всех типах кле­ток первой стадией биосинтеза белка является превращение ами­нокислоты в аминоацил-тРНК. Этим достигаются две цели:

• повышение реакционной способности аминокислоты в реак­ции образования пептидной связи (активация);

• соединение аминокислоты со специфической тРНК (отбор).

Катализируют процесс активации и отбора аминокислот фер­менты аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы). Клетки организма содержат 20 АРСаз — по одному ферменту на каждую протеино-генную аминокислоту. АРСазы образуют самую многочисленную группу ферментов, участвующих в передаче генетической инфор­мации. Они обладают сверхспецифичностью: во-первых, узнают нужную тРНК и соответствующую ей аминокислоту, а во-вторых, следят за безошибочным аминоацилированием тРНК.

Рибосомный этап биосинтеза белка. Трансляция мРНК в поли­пептидную цепь происходит на рибосомах. В клетках организма человека большая часть рибосом связана с мембранами эндоплазматического ретикулума.

В процессе трансляции можно выделить три этапа:

1) инициация;

2) элонгация (удлинение полипептидной цепи);

3) терминация синтеза.

Инициация синтеза белка. Для начала синтеза полипептидной цепи необходимы: рибосома, мРНК, инициирующая N-формилметионил-тРНК^мет, белковые факторы инициации, гуанозинтри-фосфорная кислота (ГТФ). Во всех синтезируемых белках первой аминокислотой является N-формилметионин, кодируемый кодоном мРНК—АУГ, названным инициирующим кодоном. Радикал формил защищает аминогруппу (N-конец) метионина растущей полипептидной цепи.

Белковые факторы трансляции — семейство белков, не входя­щих в состав рибосомы постоянно, взаимодействуют с ней на разных этапах трансляции. На каждом этапе синтеза полипептидной цепи принимают участие разные белковые факторы. На этапе ини­циации принимают участие белковые факторы инициации, от­вечающие за присоединение мРНК к рибосоме и за закрепление N-формилметионил-тРНК на кодоне АУГ. тРНК^мет закрепляется на кодоне АУТ с помощью комплементарного тринуклеотида УАЦ, который называется антикодоном.

В результате согласованного действия всех участников этапа ини­циации происходит сборка транслирующей рибосомы — комплекса, состоящего из рибосомы, мРНК и N-формилметионил-тРНК. Сборка транслирующей рибосомы является энергозависимым процессом, энергию для которого поставляет гидролиз ГТФ. В транслирующей рибосоме выделяют два центра: пептидный (Р) и аминоацильный (А). На этапе инициации N-формилметионил-тРНК присоеди­няется к мРНК в пептидильном центре, все последующие амино-ацил-тРНК присоединяются к мРНК в аминоацильном центре.

Элонгация полипептидной цепи. На этапе элонгации происходит постепенное наращивание полипептидной цепи. Для осуществле­ния этапа элонгации необходимы: транслирующая рибосома, аминоацил-тРНК, соответствующая кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ, фермент пептидилтрансфераза, белковые факторы элонгации, две молекулы ГТФ на каждую вновь образующуюся пептидную связь. Белковые факторы элонгации обеспечивают связывание аминоацил-тРНК с соответствующим кодоном мРНК, а также продвижение рибосомы вдоль мРНК. Пептидилтрансфе­раза — это фермент, обеспечивающий рост полипептидной цепи. Он является одним из белков большой субчастицы рибосомы.

Этап элонгации условно можно разбить на три стадии. Первая стадия отвечает за правильное закрепление аминоацил-тРНК на соответствующем кодоне мРНК в аминоацильном центре рибо­сомы. Этому способствуют белковые факторы элонгации.

На второй стадии происходит образование пептидной связи между двумя аминокислотными остатками; катализирует этот процесс пептидилтрансфераза. Сначала происходит разрыв сложно-эфирной связи между М-формилметионил-тРНК^мет; затем пепти­дилтрансфераза осуществляет перенос N-формилметионила к аминогруппе аминоацила, закрепленного посредством тРНК в аминоацильном центре рибосомы и образует пепсидную связь. В результате действия пептидилтрансферазы в пептидильном центре остается свободная тРНК^мет, а в аминоацильном — дипептидил-тРНК.

На третьей стадии элонгации происходят три перемещения. Рибо­сома передвигается вдоль мРНК на расстояние одного кодона. В ре­зультате такого перемещения кодон АУГ и тРНК^мет оказываются за пределами рибосомы, в пептидильном центре располагается дипептидил-тРНК, а аминоацильный центр освобождается для новой аминоацил-тРНК. Третья стадия элонгации представляет собой пример направленного биологического движения, энергию для которого обеспечивает гидролиз ГТФ, называемого транслокацией. После транслокации рибосома готова к новому этапу элонгации.

Элонгация повторяется столько раз, сколько смысловых кодонов содержит мРНК.

Терминация полипептидной цепи. Этап терминации обеспечива­ют белковые факторы терминации и фермент пептидилэстераза, локализованный в большой субчастице рибосомы. Энергию для осуществления этапа терминации обеспечивает гидролиз ГТФ.

В структуре мРНК есть кодоны, не несущие информации ни об одной протеиногенной аминокислоте. Они называются бессмыс­ленными или терминаторными. Таковыми являются кодоны УАА, УАГ, УТА. Эти кодоны (либо один из них) расположены сразу за последним смысловым кодоном мРНК. Ни одна тРНК не способ­на распознать терминаторные кодоны, их опознают белковые факторы терминации. Как только рибосома достигает одного из них, факторы терминации присоединяются к терминаторному кодону. В этот момент происходит активирование пептидилэстеразы, которая гидролизует сложно-эфирную связь между полипеп­тидом и последней тРНК.

Заключительной фазой терминации, а следовательно, и всего процесса трансляции, является диссоциация комплекса, в который входят рибосома, мРНК, тРНК, вновь синтезированный пептид и белковые факторы терминации.

Почти всегда мРНК транслируется одновременно множеством рибосом. Образующаяся при этом структура называется полири­босомой или полисомой. Вероятно, преимущество такого процесса заключается в возможности синтеза нескольких копий полипептида, прежде чем мРНК будет расщеплена ферментами деструкции РНК. Размеры полисомных комплексов сильно раз­личаются, но обычно они определяются размерами молекулы мРНК. Молекулы мРНК, состоящие из нескольких тысяч нуклеотидных остатков, могут образовывать комплексы с 50—100 рибо­сомами.

Процессинг белков. Большинство белков синтезируется в виде предшественников, не обладающих нативной структурой. Процесс превращения белка-предшественника в зрелый белок называется созреванием или процессингом. У разных белков процессинг протекает различно, однако можно выделить отдельные этапы процессинга:

• Образование дисульфидных связей между боковыми радикалами остатков цистеина, стоящих на разных участках полипептидной цепи.

• Расщепление одной или большего числа определенных пептид­ных связей и превращение полипептида-предшественника в конечный продукт.

• Присоединение простетических групп (углеводов, липидов,
коферментов и др.), приводящее к образованию сложных белков
и ферментов.

• Химическая модификация боковых радикалов некоторых
аминокислотных остатков в определенных белках (фосфорилиро-
вание, метилирование, гидроксилирование, карбоксилирование,
йодирование и т. д.).

• Ассоциация субъединиц как необходимый этап для белков,
обладающих четвертичной структурой.

Код белкового синтеза. Передачу генетической информации от ДНК к белку можно выразить схемой: ДНК → мРНК → белок. Реализуется эта схема посредством сложных биохимических про­цессов, протекающих в каждой клетке организма.

Путем сложных и кропотливых экспериментов было доказано соответствие кодонов мРНК и определенных аминокислотных остатков в структуре белка. Известно, что 20 протеиногенных ами­нокислот кодирует 61 кодон, т. е. многие аминокислоты кодиру­ются несколькими кодонами. Исключение составляют метионин и триптофан. Остальные 18 аминокислот кодируются двумя и более кодонами.

СТАНДАРТНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

UUU	Phe	UCU	Ser	UAU	Tyr	UGU	Cys
UUC	Phe	UCC	Ser	UAC	Tyr	UGC	Cys
UUA	Leu	UCA	Ser	UAA	Stop	UGA	Stop
UUG	Leu	UCG	Ser	UAG	Stop	UGG	Trp
CUU	Leu	CCU	Pro	CAU	His	CGU	Arg
CUC	Leu	CCC	Pro	CAC	His	CGC	Arg
CUA	Leu	CCA	Pro	CAA	Gln	CGA	Arg
CUG	Leu	CCG	Pro	CAG	Gln	CGG	Arg
AUU	Ile	ACU	Thr	AAU	Asn	AGU	Ser
AUC	Ile	ACC	Thr	AAC	Asn	AGC	Ser
AUA	Ile	ACA	Thr	AAA	Lys	AGA	Arg
AUG*	Met	ACG	Thr	AAG	Lys	AGG	Arg
GUU	Val	GCU	Ala	GAU	Asp	GGU	Gly
GUC	Val	GCC	Ala	GAC	Asp	GGC	Gly
GUA	Val	GCA	Ala	GAA	Glu	GGA	Gly
GUG	Val	GCG	Ala	GAG	Glu	GGG	Gly

*/ AUG - служит также кодоном инициатором синтеза белка.

Генетическая инженерия.

Изучение структуры генов, их функций оказало огромное влияние на создание технологий рекомбинантных ДНК. Изоляция гена от обширной хромосомы потребовала развития методов расчленения и соединения фрагментов молекулы ДНК, встраивания маленького вектора чужеродной ДНК в нативную цепь, а затем в клетку, в которой он может клонироваться. В результате клетка приобретает новые функции, секретируя новые вещества.

Успехи в генетической инженерии революционизировали многие отрасли медицины, сельского хозяйства, промышленной биотехнологии. Первым организмом, использованным для клонирования рекомбинантной ДНК, стала Е. коли. Продукты рекомбинантных ДНК простираются от белков до сконструированных организмов. Большое количество белков, представляющих интерес для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства получаются в настоящее время с помощью этой технологии. Первым коммерческим продуктом, полученным методом рекомбинантной ДНК, стал инсулин человека, который начиная с 1982г. стал использоваться для лечения тяжелых форм диабета, а в настоящее время вытеснил инсулины животного происхождения. Позже таким способом были получены природные антикоагулянты крови, IX, VIII и VII факторы свертывания крови, гормон роста, интерферон, интерлекины, эритропоэтины, многие вакцины, факторы роста растений.

Вопросы для самопроверки

1. Какова специфичность действия протеолитических фермен­тов: химотрипсина, пепсина, трипсина?

2. Как называются ферменты, ускоряющие гидролиз дипеп-
тидов?

3. Какие продукты образуются при окислительном дезамини-
ровании аспарагиновой кислоты и аланина? Напишите схемы реакций и назовите продукты реакций и ферменты, катализирующие
эти реакции.

4. Какие диамины образуются в результате декарбоксилирова-
ния тирозина и гистидина? Напишите схемы реакций декарбок-
силирования названных аминокислот и укажите ферменты, ускоряющие эти реакции.