Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Этотфрагмент кодирует три различных белка.Каковы их последовательности?Дополнительные вопросы см.: Wood W.В.,Wilson J. H.,Benbow R. M.,Hood L. Е,Biochemistry:AProblemsApproach,Benjamin, 1974, ch. 19.ГЛАВА 27Синтез белкаИз предыдущей главы нам известно, что последовательность аминокислот в белкахопределяется последовательностью кодонов в мРНК, считываемых молекуламитРНК. Обратимся теперь к механизму синтеза белка. Этот процесс называется трансляцией (от англ.
translation - перевод), таккак информация, записанная на четырехбуквенном языке нуклеиновых кислот, переводится на язык белков, состоящий из 20 букв.Как и следовало ожидать, трансляция - процесс более сложный, чем репликация илитранскрипция ДНК, которые происходятс использованием одного и того же языкаспаривания оснований. Трансляция осуществляется в результате согласованноговзаимодействия более чем сотни видов макромолекул. Помимо рибосом, необходимымолекулы тРНК, активирующих ферментов, растворимых факторов и мРНК.Прежде чем перейти к подробному описанию синтеза белка, рассмотрим процессв общих чертах. Белок синтезируется в направлении от аминоконца к карбоксильному концу путем последовательного присоединения аминокислот к карбоксильномуконцу растущей пептидной цепи.
Аминоацил-тРНК, в которых карбоксильная группа аминокислоты присоединена к 3'-концутРНК, играют в этом процессе роль активированных предшественников. Присоединение аминокислоты к соответствующейтРНКкатализируетаминоацилтРНК—синтетаза. Эта реакция активации,будучи аналогична активации жирных кислот, также запускается энергией гидролизаАТР. Для каждой аминокислоты имеется покрайней мере один вид тРНК и специфический активирующий фермент.
Синтез белкаосуществляется в три стадии, называемыеинициацией, элонгацией и терминацией.Инициация приводит к связыванию инициаторной тРНК с сигналом начала транскрипции в мНРК. Инициаторная тРНК занимаетР-участок рибосомы (от англ. peptidyl - пептидильный) - один из двух участков связывания тРНК. Элонгация начинается сосвязывания аминоацил-тРНК с другимучастком связывания тРНК на рибосоме,называемымА-участком(отангл.aminoacyl - аминоацильный). Затем образуется пептидная связь между аминогруппой второй аминоацил-тРНК и карбоксильной группой fMet, связанного с инициаторной тРНК. Теперь образовавшаяся в результате дипептидил-тРНК перемещается изА-участка в Р-участок, в то время как освободившаяся молекула тРНК покидает рибосому.
Связывание аминоацил-тРНК, перемещение пептидил-тРНК из А-участкав Р-участок и одновременное перемещениерибосомы к следующему кодону мРНК требуют гидролиза GТР. Затем новая аминоацил-тРНК связывается со свободным Аучастком и начинается новый цикл реакцииэлонгации, подобный уже описанному.Терминация происходит тогда, когда стопкодон (сигнал терминации) в молекулетРНК считывается фактором освобождениябелка. Это приводит к отделению завершенной полипептидной цепи от рибосомы.
В настоящей главе мы будем говорить главнымобразом о синтезе белка в клетках E.coli, гдеэтот процесс лучше всего изучен. Некоторыеразличия между синтезом белка у прокариот и эукариот будут рассмотреныв разд. 29.25.27.1. Аминокислоты активируютсяи присоединяются к транспортным РНКпод действием специфических синтетазОбразование пептидной связи между аминогруппой одной аминокислоты и СООНгруппой другой аминокислоты термодина27. Синтез белка87мически невыгодно. Этот термодинамический барьер преодолевается путем активации СООН-группы аминокислот-предшественников.Активированными промежуточными продуктами синтеза белка служат эфиры аминокислот, в которых карбоксильная группа аминокислоты связана с 2'или 3'-гидроксильной группой рибозногоостатка на 3'-конце тРНК.
Аминоацильнаягруппа может быстро перемещаться из2'-положения в 3'-положение и обратно.Этот активированный промежуточный продуктназываетсяаминоацил-тРНК(рис. 27.1).Присоединение аминокислоты к тРНКимеет значение не только потому, что приэтом активируется ее карбоксильная группаи она может образовать пептидную связь,но и потому, что аминокислоты сами по себе не способны узнавать кодоны в мРНК.Аминокислоты переносятся к рибосомамспецифическими тРНК, которые и узнаюткодоны в мРНК.
Таким образом, эти тРНКвыполняют роль адапторных молекул.В 1957 г. Пол Замечник и Малон Хогланд(Paul Zamecnik, Mahlon Hoagland) установили, что активация аминокислот и их последующее присоединение к тРНК катализируютсяспецифическимиаминоацилтРНК—синтетазами, которые также называютактивирующимиферментами.В реакциях, катализируемых некоторымисинтетазами, первая стадия состоит в образовании аминоациладенилата из аминокислоты и АТР. Это активированное соединение представляет собой смешанный ангидрид, в котором карбоксильная группааминокислоты присоединена к фосфатнойгруппе AMP.
Другие синтетазы катализируют реакцию АТР, аминокислоты и тРНКбез промежуточного образования доступного для обнаружения аминоациладенилата.Следующий этап - перенос аминоацильной группы аминоацил-АМР на молекулутРНК с образованием аминоацил-тРНКактивированного промежуточного продукта в синтезе белка. Переносится ли аминоа88Часть IV.ИнформацияРис. 27.1.В аминоацил-тРНК аминокислота связана эфирной связьюс 2'- или 3'-гидроксильной группой концевого аденозина.цильная группа на 2'- или 3'-гидроксильнуюгруппу рибозного остатка на 3'-конце тРНК,зависит от того, о какой аминокислоте и какойаминоацил-тРНК—синтетазеидетречь.
Активированная аминокислота можеточень быстро перемещаться из 2'- в 3'-положение и обратно.Аминоацил-АМР + тРНКАминоацил-тРНК + AMP.Суммарная реакция этапов активациии переноса описывается следующим уравнением:Аминокислота + АТР + тРНКАминоацил-тРНК + AMP + РР i .ΔG' для этой реакции близко к нулю, таккак свободная энергия гидролиза эфирнойсвязи аминоацил-тРНК соответствует свободной энергии гидролиза концевой фосфо-рильной группы АТР. Что же в таком случаезапускает синтез аминоацил-тРНК? Каки можно было ожидать, реакция запускаетсягидролизом пирофосфата. Суммарная реакция этих превращений высокоэкзергонична:Аминокислота + АТР + тРНК + Н 2 ОАминоацил-тРНК + AMP + 2Р i .Таким образом, на синтез аминоацилтРНК затрачиваются две богатые энергиейфосфатные связи.
Одна из них расходуетсяна образование эфирной связи аминоацилтРНК, другая сдвигает равновесие реакциив сторону образования продукта.Стадии активации и переноса определенной аминокислоты катализируются однойи той же аминоацил-тРНК—синтетазой.В действительности аминоацил-АМР не диссоциирует из комплекса с синтетазой. Онпрочно связывается с активным центромфермента нековалентными взаимодействиями.
В норме аминоацил-АМР, образующийся в качестве промежуточного продукта синтеза аминоацил-тРНК, существует в течениенепродолжительного времени, но он вполнестабилен и может быть легко выделен, еслив реакционной смеси нет тРНК.Мы уже встречались с ациладенилатнымпромежуточным продуктом при активациижирных кислот (разд.
17.6). Интересно отметить, что Пол Берг (Paul Berg) первым открыл этот промежуточный продукт в реакции активации жирных кислот, и он жепозже выяснил, что этот продукт образуетсятакже при активации аминокислот. Основное различие между этими реакциями состоит в том, что в первом случае роль акцептора ацильных групп играет СоА, а вовтором - тРНК. Энергетика этих биосинтетических реакций очень сходна: обе они становятся необратимыми благодаря гидролизу неорганического пирофосфата.Для каждой аминокислоты имеется покрайней мере одна аминоацил-тРНК—синтетаза. Эти ферменты различаются по размеру, субъединичной структуре и аминокислотному составу (табл. 27.1).Таблица 27.1. СвойстватРНК-сннтетазнекоторыхИсточникСпецифичМасса,ность к ами- кДанокислотеE.coliE.coliE.coliE.coliДрожжиДрожжиПоджелудочная железа быкаГистидинИзолейцинЛизинГлицинЛизинФенилалакинТриптофан85114104227138270108аминоацнл-Субъединичнаяструктураα2Одна цепьα2α2β2α2α2β2α2Рис.
27.2.Пространственныемоделивалина и изолейцина. Синтетазы, активные в отношенииэтих аминокислот, высоко специфичны.27.2. Надежность синтеза белкаопределяется высокой специфичностьюаминоацил-тРНК-синтетазПравильная трансляция генетических матриц обеспечивается высокой специфичностью аминоацил-тРНК—синтетаз. Этиферменты весьма избирательны в отношении активируемых аминокислот и соответствующей тРНК-акцептора. Как будет указано несколько ниже, молекулы тРНК,акцептирующие различные аминокислоты,имеют различные последовательности оснований, благодаря чему синтетазы легкоузнают их. Гораздо более сложная задачадля этих ферментов - различать сходныеаминокислоты. Например, единственноеразличие между изолейцином и валином состоит в том, что изолейцин содержит лишнюю метиленовую группу (рис.
27.2). Дополнительная энергия связывания, которуювносит эта лишняя группа —СН2—, благоприятствует тому, что активация изолейцина происходит примерно в 200 раз чаще,чем активация валина. Концентрация валина in vivo примерно в 5 раз выше концентрации изолейцина, так что валин должен27. Синтез белка89был бы неправильно включаться вместоизолейцина в одном случае из 40. Однаконаблюдаемая частота ошибок in vivo составляет всего одну на 3000. Это указывает, чтодолжна существовать еще какая-то стадиякоррекции ошибок для увеличения надежности. Действительно, синтетаза исправляетсобственные ошибки.
Валин, активированный по ошибке, не переносится на тРНК,специфичную к изолейцину. Вместо этоготРНК способствует гидролизу валин-АМРи таким образом предупреждает его неправильное включение в белки. Кроме того, этагидролитическая реакция освобождает синтетазу для активации и переноса изолейцина правильной аминокислоты. Какимобразом синтетаза избегает гидролизаизолейцин-АМР - правильногопромежуточного продукта? Скорее всего, гидролитический участок достаточно велик, чтобытам поместился валин-АМР, но слишкоммал для связывания изолейцин-АМР.Многие другие аминоацил-тРНК—синтетазы также содержат, помимо участковсинтеза, гидролитические участки. Возможно, эти участки действуют как двойныефильтры, обеспечивающие высокую надежность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
