Реферат: Регулирование белкового синтеза

Трансляция иРНК

Термин «трансляция» обозначает передачу наследственной информации от иРНК к белку. Проще говоря, «перевод» последовательности трехчленных кодонов иРНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.

В учебнике Беркинблит, Глаголева и Фуралева этот процесс описан достаточно подробно. Напомню главные его черты. Во всех относительно малых (около 80 нуклеотидов) транспортных РНК (тРНК) имеется однонитевой участок («петля»), где располагается «антикодон» — тройка нуклеотидов, комплементарных кодону. Антикодон водородными связями соединяется с кодоном, и в этом состоит «узнавание» кодона, определяющее аминокислоту, которая должна быть присоединена к растущей цепи белка. Различных тРНК в клетке имеется, как минимум, 20 — по числу аминокислот.

На 3'-конце всех тРНК стоит тройка нуклеотидов ЦЦА. К ней специальный фермент, «аминоацил-тРНК-синтетаза», ковале-нтной связью присоединяет аминокислоту, соответствующую антикодону этой тРНК. Образуется молекула «аминоа-цил-тРНК». Условимся для краткости обозначать ее аа-тРНК. Процессы «узнавания» кодона и синтеза белка происходят в рибосоме. Ее образуют две субъединицы — малая и большая. Суммарный их диаметр порядка 25 миллимикрон. В каждой из субъединиц имеется набор специфических белков и молекулы крупных рибосомальных РНК: одна — в малой субъединице и две (а у эукариотов три) — в большой. Молекулярные веса этих pPHK лежат в диапазоне 0,5-1,5 миллиона дальтон (от 1541 до 4718 нуклеотидов). Малые pPHK рибосом (есть и такие) имеют длину всего 120-160 нуклеотидов.

Белки рибосом, общим числом около 55-ти (в среднем) у прокариотов и 83-х у эукариотов обеспечивают последовательность этапов биосинтеза конечного белка: посадку рибосомы на иРНК, ее продвижение вдоль матрицы, переброску растущей цепи белка с одной молекулы тРНК на другую, окончание трансляции и снятие рибосомы с матрицы иРНК. В этих процессах участвуют и некоторые белки цитоплазмы, временно связывающиеся с рибосомой — так называемые «факторы» инициации, элонгации и терминации белкового синтеза.

Рибосомы эукариотов значительно крупнее, чем у бактерий. Возможна посадка на иРНК и нескольких рибосом, следующих друг за другом. Такая комбинация именуется «полисомой».

В клетке E.coli насчитывается около 20 тысяч рибосом. Место присоединения рибосом к иРНК для E.coli известно. Это — последовательность АГГАГГУ-З, расположенная на 10 нуклеотидов ранее АУГ — начального кодона для синтеза белка. Считают, что 3'-конец рРНК малой субъединицы рибосомы E.coli комплементарен к этой последовательности.

Относительно рибосом высших организмов полагают, что они садятся произвольно со стороны 5'-конца иРНК, а затем «скользят» по ней до тех пор, пока не встретят инициаторный кодонАУГ в специальном окружении: АЦЦАУГГ.

Нам известно, что субъединицы рибосом (малая и большая) синтезируются порознь. Посадку рибосомы на определенное для нее место на иРНК осуществляет малая субъединица. Большая субъединица к ней затем присоединяется. Снятие рибосомы с матрицы иРНК, очевидно, осуществляется путем разъединения субъединиц. Перед этим в рибосому вместо очередной аа-тРНК входит некий специальный белок (RF-releasefactor). Он вытесняет из рибосомы остающуюся в ней часть полипептидной цепочки белка. У эукариотов часть рибосом по своей большой субъединице связывается с внутриклеточными мембранами. Синтезируемые ими белки попадают в аппарат Гольджи и секретируются клеткой наружу. Рибосомы в цитоплазме обеспечивают собственные потребности клетки. После завершения синтеза полипептидной цепи белка начинается посттрансляционная трансформация белка, в частности, его сворачивание в глобулу. (Впрочем, не исключено, что для крупных белков это сворачивание начинается еще в процессе трансляции.) Сворачиванию белков в клетке способствуют еще и специальные белки — «помощники». В английской терминологии они именуются «molecularchaperones» (компаньоны). Короткие белки (меньше 300 аминокислот) легко сворачиваются в одну компактную структуру — «домен». Крупные белки эукариотов иногда сворачиваются в два или три домена, связанных короткими отрезками полипептидной цепочки. Трансформация белка перед его сворачиванием может включать в себя и химическую модификацию некоторых аминокислот: присоединение Сахаров или липидов — особенно для белков мембран. Возможны и некоторые укорачивания полипептидной цепи экзопептидазами (в интересах лучшего сворачивания) и т. д. Вернемся теперь к более подробному анализу центрального процесса — синтеза полипетидной цепи белка в рибосоме по матрице иРНК. Основные представления об этом процессе были изложены выше. Но в этих представлениях есть немало скрытых «темных мест». Я предупреждаю: все последующее является гипотезой автора, которую я предлагаю для критического рассмотрения своим ученикам. На рис. изображена рибосома в двух разрезах. Я предполагаю, что в большой субъединице есть два канала К1 и К2.

MET

Рис.

Левая схема — разрез рибосомы плоскостью, перпендикулярной к иРНК, проходящей через вертикальный канал Кр иРНК здесь изображена маленьким кружком с перекрестием. На правом разрезе она видна, как узкая полоска, где кодоны отмечены черточками. Это — разрез плоскостью, проходящей через иРНК и оба канала. Из сопоставления разрезов видно, что горизонтальный канал имеет вытянутое вниз сечение. Вертикальный канал — круглый. Пронумерованные половинки эллипсов изображают молекулы тРНК. Их прямолинейные участки — антикодоны. Черная точка у вершины полуэллипса — аминокислота. Цепочка черных точек, выходящая из Ki — новосинтезированный фрагмент белка. Нижняя точка на этой цепочке — метионин, с которого начинался синтез белка.

Рибосома продвигается вдоль иРНК слева направо скачками — сразу на целый кодон. (Направление движения 5'-3'). Изображен момент, когда такой скачок только что закончился. Освободившаяся тРНК № 1 покидает рибосому. На тРНК № 2, находящейся в «сайте» П, сидит уже синтезированный фрагмент белка. На тРНК № 3 (в сайте А) — следующая аминоацил-тРНК. аа-тРНК № 4 только входит в канал Kg, она еще не сблизилась со «своим» кодоном.

Во время следующего скачка рибосомы вправо последняя аа-тРНК подойдет к этому кодону, «узнает» его и окажется в сайте А, в том положении, которое на рисунке занимает аа-тРНК № 3. В это же время весь фрагмент белка оторвется от тРНК № 2 и присоединится пептидной связью к аминокислоте, принесенной тРНК № 3, а сама эта тРНК уже окажется в сайте П — над вертикальным каналом К1 — в положении, которое на рисунке занимает тРНК № 2. Цепь белка удлинится тем самым на одно звено. «Отработавшая» тРНК № 2 оторвется от своего кодона и начнет выходить из рибосомы.

Теперь обратимся к проблеме генетического кода.

Напомню, что из 64-х триплетных кодонов в иРНК три кодона (УАА, УАГ и УГА) диктуют окончание синтеза белка и снятие рибосомы с иРНК. Остальные кодоны «значащие», то есть диктующие присоединение к синтезируемой цепи белка определенных аминокислот. Надо разобраться в этой «определенности». Мы знаем, что генетический код — вырожденный. 61 кодон иРНК распоряжается включением в белок всего 20-ти аминокислот. Было даже замечено, что на каждую аминокислоту приходится по 3 кодона. На самом деле распределение отнюдь не такое равномерное.

Аминокислоту лейцин определяет целых 6 кодонов (для простоты изложения не буду их перечислять). Такой же избыток кодонов обнаруживается для серина и аргинина. Пять аминокислот (Гли, Вал, Про, Ала и Тре) кодируются с четырехкратным избыт-ком. Изолейцину соответствуют 3 кодона. Для метионина существует только один кодон (АУГ). Такое же строгое соответствие имеет место для триптофана, У остальных девяти аминокислот имеется по 2 кодона.

У четырехкратно, трехкратно и двукратно вырожденных кодонов наблюдается различие только в последнем (считая по направлению движения рибосомы), третьем нуклеотиде кодона. Нередко предполагают, что этот нуклеотид не играет существенной роли и ... 41 кодон «соглашается» с таким пренебрежением. Для «шестикратного вырождения» четырех нуклеоти-дов, которые могут занимать третье положение в кодоне, уже недостаточно. Для Арг и Лей приходится дополнительно признать несущественность и первого нуклеотида их кодонов. Еще хуже обстоит дело с серином. Два из его шести кодонов отличаются от остальных четырех уже в первом и втором йуклеотидах. Что-то слишком много несущественного! Природа этого не терпит.

В утверждении о несущественности столь многих нуклеотидов в кодонах молчаливо предполагается, что транспортных тРНК имеется только 20 — по числу аминокислот (и у каждой — только один из «разрешенных» антикодонов). Так ли это? Быть может вырождение имеет место и для тРНК («изоакцепторные тРНК»)? То есть, для доставки аргинина, лейцина и серина в рибосому существует по шесть различных тРНК с разными возможными для этих аминокислот антикодонами. Далее аналогично — по четыре, три и две различных тРНК. И только для метионина и трип-тофана — по одной. В этом случае должны существовать 61 различных тРНК. Экспериментальные данные говорят в пользу такого предположения.

«Изоакцепторных», то есть различных, но присоединяющих к себе одну и ту же аминокислоту транспортных РНК имеется не менее 59-ти. (по некоторым подсчетам их еще больше, но это требует проверки, так как суммарные цифры получали из совокупности работ разных авторов). Изоакцепторные тРНК для одной аминокислоты обнаруживают методом колоночной хроматографии, с которым мы будем знакомиться позже.

Но если транспортных РНК столько же, сколько кодонов, то каждый кодон «узнается» ими целиком и никаких нуклеотидов, не играющих существенной роли в кодонах, нет.

При изучении транспортных РНК возникает еще один вопрос, на который пока никто не ответил. В отличие от всех остальных РНК, транспортные РНК обязательно имеют в своей первичной структуре «модифицированные» нуклеотиды. Иногда это только присоединение к нуклеиновому основанию метильной группы (СНд). А иногда — довольно больших атомардых конструкций, размером чуть ли не в само основание. У разных тРНК модификации разные и модифицированные нуклеотиды расположены в различных местах. Чем организм сложнее, тем модифицированных нуклеотидов в его тРНК больше. Зачем они?

Я предлагаю обсудить довольно смелую гипотезу. Молекула тРНК компактна. В ней много спаренных нуклеотидов («шпилек»), образованных связыванием удаленных друг от друга по одиночной нити тРНК, но комплементарных, участков. Можно утверждать, что каждая молекула тРНК имеет вполне определенную и достаточно жесткую пространственную форму. Модификация некоторых нуклеотидов в молекуле, естественно, влияет на эту форму. У высших организмов таких модификаций достаточно много, чтобы иметь право предположить различие пространственных форм всех изоакцепторных тРНК.

Теперь вернемся к рис. 29. Мы видим, что аа-тРНК № 4 только начинает входить в канал Kg. Связаться со своим код оном, «узнать» его она может только внутри канала. Ошибки при проникновении в Kg разных аа-тРНК, очевидно, нежелательны —ведь неподходящей аа-тРНК пришлось бы возвращаться из рибо-сомы обратно в цитоплазму. (Да и непонятно каким образом — ведь для рибосомы движения в обратную сторону быть не может.) А что, если объемная форма тРНК служит «пропуском» в канал? В этом случае конфигурация входа в канал должна «дышать» — перестраиваться под влиянием каждого «ожидающего» кодона, как бы подающего на вход команду для пропуска подходящей тРНК. Слишком сложно? Но не даром же в рибосомах эукариотов почти вдвое больше разных белков, чем у прокариотов. (Принцип работы рибосом, наверное, в обоих случаях одинаков, но проблемы регулирования биосинтеза белка, как мы увидим, у эукариотов значительно сложнее.)

Все эти рассуждения приведена здесь для иллюстрации того, как рождается (и проверяется) научная гипотеза. Для будущих исследователей в области молекулярной биологии раннее знакомство с логикой построения такой гипотезы, я полагаю весьма полезным.

В связи с изложенным материалом имеет смысл по-новому взглянуть на механизм регулирования белкового синтеза, особенно у высших организмов. На классическом примере лак-оперона E.coli Жакоб и Моно предложили знакомую вам концепцию, в которой участвуют «оператор», управляющий разрешением транскрипции структурных генов. Перед оператором стоит «ген-регулятор». Он способен вести синтез белка-репрессора, который связывается с оператором. В свою очередь приходящая извне в клетку молекула-«активатор» может связать репрессор. Регулирование синтеза белков происходит на уровне транскрипции ДНК-синтеза иРНК. Это хорошо для бактерий, где вся ДНК более или менее доступна для считывания наследственной информации в течение всего времени жизни клетки. При возникновении необходимости наработки нового фермента, например, при изменении питательной среды, РНК-полимераза легко может снять много копий иРНК с нужного участка генома бактерии.

ДНК высших организмов сверхскручена очень тесно, очень плотно упакована. Уместно сказать несколько слов о способе этой упаковки. Геном человека, например, насчитывает около 3-х миллиардов пар оснований (считая по гаплоидному набору хромосом). Во введении было упомянуто, что расстояние между соседними парами в спирали ДНК — примерно 0,34 миллимикрона. Откуда следует, что полная длина «молекулы» ДНК у человека составляет 1 метр! Как такую длину уместить в ядре клетки? Однако даже бытовой опыт подсказывает, что очень длинную, но очень тонкую нить можно свернуть в крошечный клубок. (Еще древние греки умели изготавливаться столь тонкие нити, что сотканное из них платье можно было протянуть через кольцо для пальца.) Но хаотический клубок непригоден. Его трудно распутать. А сворачивание ДНК должно быть хорошо организовано, хотя бы для того, чтобы быстро осуществить редупликацию всей молекулы.

Для этой цели служат специальные белки — «гистоны», тесно связанные с ДНК. Связь эта не ковалентная, а электростатическая. Все гистоны (их насчитывается 5 типов) — суть богатые лизином и аргинином «щелочные» белки. В нейтральной среде они несут достаточно большой положительный заряд, за счет которого притягиваются к отрицательно заряженным остаткам фосфорной кислоты в ДНК. Гистоны для упорядочения свертывания молекул ДНК играют роль, сходную с ролью катушки для ниток. На электронных микрофотографиях удается разглядеть частично развернутый дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), как именуют комбинацию ДНК с гистонами, в виде нити, диаметром около 2 тц, на которой тесно расположены своего рода бусинки — «нуклеосомы». Полагают, что основу каждой нуклеосомы составляет октамер из восьми молекул гистонов (4-х типов), образующий подобие сердечника, на который навита двухнитевая спираль ДНК, образуя два витка общей длиной в примерно 150 пар оснований. Линейный отрезок длиной около 50 пар оснований соединяет соседние нуклеосомы.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--