Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 14

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Транспортные РНК. Антикодон. Аминоацил-тРНК-синтаза (АРСаза). Аминоацил-тРНК. Петли тРНК: D, T, дополнительная, антикодоновая. Хвост А-Ц-Ц. Шесть стадий производства тРНК. Экспортин t. Псевдоуридин (ψ). ψ-синтаза. Аденозинмонофосфат (АМФ) (адениловая кислота). Аминоацил-аденилат. Пирофосфат (PPi). Пре- и посттрансферное редактирование аминоацил-аденилата. Пирролизин. Эпитранскриптомика. m1А, m6А. Кетоны. Химическая номенклатура. Номенклатура альдегидов.

Содержание

    Итак, таблица генетического кода показывает нам, что триплеты в кодирующей области мРНК кодируют те или иные аминокислоты. Некоторому триплету соответствует совершенно определенная аминокислота, только эта и никакая другая, которая и будет поставлена рибосомой на свое место в строящемся белке. Как физически происходит этот процесс? Как именно происходит процесс подбора нужной аминокислоты для нужной позиции в белке?

    Здесь мы подходим к очередному действующему в процессе трансляции лицу, точнее – к лицам:) Нам понадобится транспортная РНК (тРНК), и мы сначала в самых общих чертах узнаем – что это такое и как она работает, после чего начнем уточнять разные детали.

    Как понятно из названия, тРНК — это именно РНК. На рисунке мы видим ее трехмерное изображение, а также ее примерную схему – как она выглядит, если ее расправить и разложить на плоскости (получается конфигурация клеверного листа):

    Задача тРНК состоит в том, чтобы транспортировать аминокислоту к рибосоме, непосредственно к месту синтеза белка, при этом очень важно то, что каждой из 20 главных протеиногенных аминокислот соответствует своя тРНК. Значит, должно быть как минимум 20 видов тРНК (на самом деле больше, потому что некоторые аминокислоты имеют более одной соответствующей им тРНК).

    Для того, чтобы тРНК смогла доставить куда-то аминокислоту, сначала она должна с ней ковалентно связаться, поэтому аминокислота прикрепляется к 3`-концу тРНК:

    Но все это относится только к построению нуклеиновых кислот, а мы сейчас рассматриваем присоединение аминокислоты к тРНК, и в ситуации, когда аминокислота присоединяется к 3`-концу тРНК, она может присоединиться к любому из гидроксилов рибозы последнего мономера, и если она присоединится к тому из них, который прицеплен ко второму атому рибозы, то соответственно мы и скажем, что аминокислота прикрепилась к 2`-концу тРНК. Для простоты я буду дальше писать «присоединена к 3`-концу» вместо громоздкого «присоединена к 3`- или 2`-концу», так что запись «3`-конец» просто будет обозначать конец, противоположный 5`-концу. Если тРНК загружена аминокислотой, ее называют аминоацил-тРНК.

    Мы видим, что на противоположном конце тРНК имеется триплет азотистых оснований, который называется антикодоном. Когда рибосома взяла в работу некоторый кодон на мРНК, она создает условия, при которых аминоацил-тРНК (т.е. тРНК, несущая на себе аминокислоту) может притянуться к этому месту. Но не всякая аминоацил-тРНК будет принята, а только та, чей антикодон будет комплементарен кодону. Именно такая аминоацил-тРНК будет иметь в своем составе ту аминокислоту, которая нужна в данном месте строящегося белка. Далее кодон мРНК и антикодон аминоацил-тРНК спариваются, образуя друг с другом три водородные связи (каждая пара азотистых оснований образует одну водородную связь), так что в целом связь оказывается достаточно прочной (на самом деле, в области антикодона у тРНК имеется сильный изгиб, т.к. это самый крутой участок петли, и с этим связаны важные особенности процесса спаривания кодона с антикодоном, которые мы рассмотрим не здесь).

     

    И уже после этого рибосома забирает аминокислоту у аминоацил-тРНК и пересаживает ее на растущую пептидную цепь, а освободившаяся от груза тРНК уходит в поисках своей новой аминокислоты, а на ее место приходит следующая аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен следующему кодону мРНК, и так этот процесс и идет дальше и дальше с невероятной скоростью: около 1000 присоединенных аминокислотных остатков в секунду.

    Когда аминокислота присоединяется к тРНК, она делает это своей карбоксильной группой, а сам процесс ковалентного присоединения аминокислоты к 3`-концу тРНК осуществляет фермент аминоацил-тРНК-синтаза (иногда пишут не «синтаза», а «синтетаза», а короткая форма — АРСаза), причем снова для каждой разновидности тРНК нужна своя АРСаза.

    Для обозначения разных аминоацил-тРНК пишут в виде префикса три латинских буквы, обозначающих эту аминокислоту, например Ala-тРНК и т.д.

    Для того, чтобы обозначить именно ту тРНК, которая переносит конкретную аминокислоту, мы используем верхний индекс и пишем так: тРНКn, где вместо «n» пишем трехбуквенное обозначение этой аминокислоты.

    Если одну и ту же аминокислоту могут переносить несколько тРНК, то мы их обозначаем так: тРНК1n , тРНК2n и т.д.

    Все тРНК хоть и состоят из разного набора остатков нуклеотидов, тем не менее вторичная структура (клевер) и третичная (объемная) у них одинаковы, поэтому любая аминоацил-тРНК может встать в одну и ту же нишу в рибосоме и отдать там свою аминокислоту, а потом каждая тРНК выходит из рибосомы также одним и тем же путем.

    То, какая именно аминокислота будет вставлена в данное место белка, определяется именно тем, какая аминоацил-тРНК присоединится к мРНК в результате опознания кодона антикодоном. Сама по себе аминокислота, несомая тРНК, никакого влияния на этот процесс не оказывает, что доказывается простым экспериментом: если поймать какую-нибудь аминоацил-тРНК, заменить её аминокислоту на любую другую и выпустить её на свободу, то именно эта новая аминокислота и будет вставлена на то место, где должна была бы стоять аминокислота, которую тРНК изначально несла.

    Этот эксперимент показан на рисунке. Берем цистеин, отрываем от него тиольную группу -SH, углерод подцепляет из окружающей его водной среды недостающий ему водород, и мы получаем аланин, и та же тРНК тащит на себе к рибосоме уже не цистеин, а аланин. Это не оказывает никакого влияния на узнавание кодона антикодоном, и вместо цистеина в растущий белок вставляется аланин.

    Мы видим в структуре тРНК три шпильки с петлями (иногда их называют плечами тРНК), и еще одну маленькую петлю. Каждая из них имеет свое название, чтобы нам легче было о них говорить:

    В той ориентации рисунка, который мы используем, левая петля называется D–петлей, нижняя — антикодоновая, правая – Т-петля, плюс дополнительная петля, длина которой, как мы видим, может меняться в широком диапазоне: от очень маленькой (самая маленькая содержит лишь 3 основания) до очень большой (самая большая содержит 21 основание).

    Т-плечо часто обозначается довольно неудобоваримым образом: ТψС-плечо, (буква греческого алфавита «ψ» произносится как «пси»). Дело в том, что в состав этого плеча входит модифицированный нуклеозид псевдоуридин, которое и обозначается буквой ψ.

    Важно отметить, что 3`-конец тРНК всегда оканчивается хвостом из трех оснований: А-Ц-Ц.

    Если не учитывать вариабельность дополнительной петли, то можно сказать, что практически все тРНК очень консервативны в длине своей структуры и чаще всего содержат 76 оснований, хотя бывают и другие варианты, поскольку D-плечо тоже обладает некоторой изменчивостью.

    Интересно, что когда тРНК только производится в клетке, то конечно, она содержит только обычные четыре азотистых основания, иначе и не может получиться в процессе транскрипции. Но в результате последующей обработки получается так, что некоторые нуклеозиды подвергаются модификации, так что в итоге тРНК в своем составе имеют несколько модифицированных нуклеозидов. Всего таких необычных нуклеозидов в составе разных тРНК найдено более 50! Всего же в состав разных РНК входят более 100 разных модифицированных нуклеозидов. Так что тут большой простор для запоминания формул:)

    Таким образом мы сейчас можем представить все шесть стадий производства тРНК в той последовательности, в которой они происходят:

    1. РНК-полимераза III (не II, а именно III) осуществляет транскрипцию и производит транскрипт в виде пре-тРНК
    2. удаляется 5′-последовательность (лидерная)
    3. удаляется 3′-последовательность (концевая)
    4. к 3′-концу пришивается последовательность А-Ц-Ц
    5. вырезаются интроны (у эукариот и архей)
    6. производится модификация некоторых нуклеозидов.

    После того, как готовы зрелые тРНК, их надо перенести из ядра в цитоплазму клетки, и они будут готовы к работе. Белок, который экспортирует тРНК в цитоплазму, предсказуемо называется экспортином t.

    L-образная третичная структура зрелой и готовой к работе тРНК возникает из-за того, что некоторые основания, остающиеся неспаренными во вторичной структуре тРНК, образуют друг с другом водородные связи, т.е. спариваются.

    Раз уж мы упомянули псевдоуридин, то заодно и выучим его формулу, тем более, что это самый часто встречающийся модифицированный нуклеозид, да и выучить его формулу будет очень легко:

    Модификацию уридина в псевдоуридин производит фермент с понятным названием ψ-синтаза (или псевдоуридин-синтаза). Глядя на рисунок, легко понять – что именно делает ψ-синтаза: она отрывает урацил, переворачивает его вдоль оси 3-6 и прикрепляет обратно к рибозе. Таким образом, псевдоуридин и уридин содержат оно и то же азотистое основание – урацил, просто он иначе прикреплен к сахару, и тут важно отметить, что в результате такой операции мы не просто получаем другой нуклеозид, но у этого нового нуклеозида исчезла гликозидная связь, связывавшая урацил и сахар. Теперь на этом месте обычная ковалентная связь между двумя углеродами, которая по своим свойствам сильно отличается от гликозидной: гликозидная связь, как и пептидная, заметно прочнее обычной ковалентной, и ее тоже можно считать, как и пептидную, «частично двойной» — в этом они схожи.

    Остается вопрос: а каким образом получается так, что именно цистеиновая АРСаза ловит именно цистеиновую тРНК и цепляет к ней цистеин? Чтобы разобраться в этом вопросе, надо внимательно рассмотреть весь этот процесс.

    1. В самом начале АРСаза в одном из своих активных центров связывает нужную ей аминокислоту и молекулу АТФ. Вслед за этим две крайние фосфатные группы отщепляются, и оставшийся аденозинмонофосфат (АМФ) (моно – «один», «монофосфат» — одна фосфатная группа) соединяется с аминокислотой. Такая молекула имеет свое название — аминоацил-аденилат (пишут и с дефисом, и без). Отцепившийся от АТФ сегмент, состоящий из двух фосфатных групп, в котором два атома фосфора соединены атомом кислорода, называется пирофосфатом: P2O52− (он обозначается как «PPi», от англ. pyrophosphate inorganic — «пирофосфат неорганический»).

    Если мы хорошо представляем себе, как выглядит АТФ, то и АМФ представить очень легко. Часто используется другое название АМФ – адениловая кислота:

    Выполнение работы по изготовлению аминоацил-аденилата сопряжено с решением довольно непростой проблемы: как отличить именно нужную аминокислоту от других? Это ведь совсем непросто. Другое дело – выбрать нужную тРНК, ведь тРНК – это очень большие молекулы, они заметно отличаются друг от друга и своим составом, и главное – своим антикодоном. Конечно, у белка АРСазы нет кодонов и антикодонов – это ведь белок, а не нуклеиновая кислота, но все же кодон тРНК – это достаточно крупный кусок молекулы, который должен суметь абсолютно точно встать в нужную нишу на АРСазе, чтобы точно совпало и расположение атомов, и чтобы распределение электрических полей вокруг них имело нужную конфигурацию. А вот с аминокислотами все сложнее, особенно при том, что многие аминокислоты еще и очень похожи друг на друга. Например, некоторые из них отличаются друг от друга лишь одной метильной группой (изолейцин и валин, аланин и глицин):

    Эта проблема решается в целом таким же образом – нужная аминокислота должна очень точно попасть в соответствующий карман АРСазы, и если даже лишь три атома (метильной группы) стоят не совсем там, где надо (у лейцина и изолейцина), то эта аминокислота не сможет встать в правильном положении в активном центре АРСазы. Ошибки, тем не менее, случаются, правда очень редко – в среднем в одном случае из пятидесяти тысяч (!) АРСаза берет в работу не ту аминокислоту, но и это нестрашно.

    Во-первых, у самой АРСазы есть свои внутренние системы контроля за ошибками, и если ошибка найдена на этой стадии, то происходит редактирование: аминоацил-аденилат расщепляется прямо там же, в том же активном центре, в котором он был собран, в соседней нише. Такое редактирование называется претрансферным, так как оно происходит еще до того, как аминоацил-аденилат был перенесен на тРНК и связан с ней.

    Если же ошибка найдена уже на стадии, когда аминокислота соединилась с тРНК, то такая неправильная аминоацил-тРНК перемещается в другой активный центр АРСазы, где и происходит ее расщепление, после чего и аминокислота, и тРНК выпускаются обратно в свободное плавание. Это – посттрансферное редактирование. Мало этого, так еще существуют и свободно плавающие ферменты, которые, обнаружив в цитозоле неправильно сконструированные аминоацил-тРНК, также расщепляют их.

    Здесь есть еще один интересный момент. Как мы только что увидели, АРСаза, оказывается, не просто соединяет аминокислоту и тРНК, но еще и снабжает их АМФ. Для чего нужна эта АМФ? Ответ очевиден: АМФ нужна для того, чтобы обеспечить энергией процесс переноса этого аминокислотного остатка на тРНК, откуда-то ведь должна браться эта энергия? Когда АРСаза соединяет аминокислотный остаток с тРНК, она должна ведь совершить работу, т.к. это энергозатратный процесс (в противном случае аминокислоты и тРНК хаотично спаривались бы в цитозоле), и где же ей взять столько энергии? Это надо к ней подводить целую трубу, снабжающую ее энергией непрерывным потоком… Но надобности в трубе или в линии высоковольтной передачи нет, так как имеются мини-аккумуляторы в виде АМФ.

    Первый этап рассмотрели, теперь посмотрим на следующий этап работы АРСазы.

    2. Аминоацил-аденилат – нестабильная молекула, и если она выйдет из активного центра АРСазы и попадет в окружение молекул воды, то сразу же распадется — связь между АМФ и аминокислотным остатком будет тут же гидролизована. Поэтому сразу после того, как образовался аминоацил-аденилат, с ним связывается 3`-конец тРНК, после чего и происходит перенос аминокислотного остатка с аминоацил-аденилата на 2`- либо 3`-ОН группу рибозы, входящей в состав последнего на 3`-конце аденина тРНК.

    Итак:
    *) аминокислота + АТФ => аминоацил-АМФ + PPi
    *) аминоацил-AМФ + тРНК => аминоацил-тРНК + АМФ
    Суммарно: аминокислота + тРНК + АТФ => аминоацил-тРНК + АМФ + PPi

    Подытожим и информацию об устройстве АРСазы: у нее есть два основных домена. Первый – это аминоацилирующий домен, в котором происходят описанные выше процессы. Второй – антикодонсвязывающий домен, в котором происходит узнавание последовательности антикодона тРНК.

    ………………………….……………………………..………………………

    Общая схема работы АРСазы и аминоацил-тРНК изображена на рисунке:

    Мы помним, что кроме основных 20 протеиногенных аминокислот есть еще две: селеноцистеин и пирролизин. Они называются нестандартными, потому что в таблице генетического кода нет таких кодонов, которые бы соответствовали только им. В каком-то смысле стоп-кодон UGA можно рассматривать, как соответствующий селеноцистеину, это мы уже рассматривали, а стоп-кодон UAG может кодировать пирролизин (у этой парочки нестандартных аминокислот последние буквы соответствующих им стоп-кодонов меняются местами).

    Однако между этими двумя аминокислотами есть существенная разница в том способе, с помощью которого они попадают в состав белков: у пирролизина есть своя АРСаза, а у селеноцистеина ее нет.

    Пирролизин (Pyl), (O) встречается только у некоторых метаногенных архей, так что в нашем кишечнике его вполне можно найти. Чтобы не терять биохимической хватки:), выучим его формулу: к лизину через карбонил добавляем метилированный пиррол:

    Теперь, когда мы в самых общих чертах рассмотрели разные РНК, можно коротко рассмотреть один важный вопрос. Наверное было бы очень странным, если бы такой механизм, как эпигенетическое регулирование ДНК, не распространился бы в процессе эволюции и на РНК. Весь наш опыт изучения жизнедеятельности клетки показывает, что те или иные регуляционные механизмы существуют на очень и очень многих уровнях, что позволяет клетке очень быстро и очень чутко реагировать на изменившиеся условия внутри или вне клетки. Иногда эта система сдержек и противовесов просто поражает сложностью своей структуры: есть белки, которые могут быть деактивированы или форсированы другими белками, которые могут быть деактивированы или форсированы или приторможены третьими белками, которые… и т.д. И в самом деле, было обнаружено, что существуют механизмы эпигенетического регулирования РНК. Дисциплина, которая изучает это явление, называется эпитранскриптомикой, потому что этот процесс регулирования работает с транскриптами – слепками в виде РНК, снятыми с гена. Эпигенетическому регулированию подвергаются буквально все виды РНК: и матричные, и транспортные, и рибосомные, и микро и т.д.

    Мы можем запомнить существенную разницу: если метилирование происходит в ДНК, то метильная группа будет присоединена к цитозину, а в РНК метильная группа в 80% случаев будет присоединена к аденину (мнемоническое правило: «метилирование ДеЦентРАлизовано» — метилирование подвержены не только ДНК, но и РНК, т.е. этот процесс децентрализован, и пары букв ДЦ и РА указывают на то – какие именно основания метилируются в ДНК и в РНК).

    Еще одна важная разница заключается в том, что метилирование РНК встречается в десять раз чаще, чем метилирование ДНК! В принципе, в этом есть логика: хромосома – это и так уже очень сложный объект, поэтому нет смысла дополнительно его усложнять, если какую-то часть работы по управлению сиюминутной работой генома можно перенести на гораздо более простые и гораздо более доступные молекулы.

    Метилирование мРНК также является способом блокировать активность гена, как и метилирование самого гена, но все-таки эти способы имеют некоторые различия, поэтому оба и используются клеткой в зависимости от обстоятельств.

    Например, есть вид метилирования мРНК, который найден буквально у всех: у млекопитающих, насекомых, растений, грибов, бактерий, вирусов… этот вид метилирования называется m6А (m – значит «метилирование», А – «аденин», 6 – номер атома в молекуле аденина). Таким метилированием занимается фермент с предсказуемым названием m6A-метилтрансфераза. Соответственно, есть и фермент, который, наоборот, снимает эту метильную группу. Другой пример метилирования мРНК, открытый совсем недавно, в 2016-м году, это m1А:

    Метилирование – далеко не единственный способ эпигенетического регулирования ДНК, и с РНК дело обстоит точно так же. Например, выяснилось, что цитозин в РНК тоже может быть субстратом для прикрепления к нему эпигенетических меток: к нему может присоединяться ацетильная группа (-СН3СО). Такая модификация цитозина в мРНК делает ее более стабильной, а возможно еще и облегчает ее контакты с аминоацил-тРНК. Запомним: «цитозин – ацетил».

    И в конце этой главы – биохимическая несложная разминка, точнее – заминка, раз речь идет о завершении изложения. Есть одна исключительно важная группа молекул – кетоны. Проще всего понять – что это такое, отталкиваясь от альдегидов. Если альдегид – это карбонил, углерод которого связан одной валентностью с водородом, а другой – с какой-либо органической группой (для альдегидов можно использовать такую форму линейной записи: RHC=O), то у кетонов обе валентности углерода заняты органическими группами (можно записывать как R2С=О). Это очень просто:

    Поскольку у альдегидной группы есть только одна свободная валентность, то она может находиться только на конце молекулы, и никак не в ее середине. Кетоновая группа может находиться и в центре. Мы уже разбирались в том, как устроены номенклатуры разных веществ, давай разберемся и в номенклатуре альдегидов, это совсем несложно (химическая номенклатура — совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления этих названий).

    Составляя название альдегида, мы указываем название соответствующего углеводорода, к которому добавляем суффикс «аль». Например, метаналь Н2С=О, этаналь Н3СС(Н)=О, пропаналь Н3ССН2С(Н)=О. Такие простые альдегиды имеют и тривиальные названия, т.е. упрощенные, исторически сложившиеся: соответственно это будет формальдегид, ацетальдегид (мы их уже знаем) и кротоновый альдегид:

    Кротоновый альдегид похож на изогнувшегося крота, копающего нору:

    Но есть и намного более сложно устроенные альдегиды, и в таких случаях мы нумеруем углеродную цепь, начиная с карбонильного углерода, а затем с помощью числовых индексов указываем положение различных дополнительных функциональных групп:

    Если в каком-то месте альдегида имеется двойная связь между углеродами, это тоже отражается в его названии, и суффикс «-ан» меняется на «-ен»: