10.5.4. Синтез белков
Синтез белков является самым важным процессом во всей синтетической деятельности клеток. Растущее животное синтезирует белок с очень большой скоростью. Синтез белка продолжается и после того, как организм перестанет расти. Подобно всем большим молекулам, белки постоянно разрушаются и вновь синтезируются с разными скоростями. В обычных условиях средняя клетка ежеминутно синтезирует несколько тысяч новых молекул белка.
Проблема биосинтеза белка существенно отличается от проблем биосинтеза жиров и углеводов.
Чисто химически образование пептидных связей между аминокислотами является реакцией такого типа, с которой мы уже встречались. Две аминокислоты могут соединяться, образуя дипептид и отщепляя одну молекулу воды
R
ОН Н R′ R R′
NН2СНС + NСНСООН → NН2––СНС–NСНСООН + Н2О
║ | ║ |
О Н О Н
Эта реакция обратна той, которую осуществляют ферменты, расщепляющие белки, то есть гидролизующие их в ходе переваривания, как, например, трипсин и пепсин. Однако гидролизующие ферменты не могут катализировать реакцию образования пептидных связей, поскольку она требует аналогично другим синтетическим реакциям притока энергии, которую можно получить в форме АТФ.
Синтез некоторых простых пептидов рассмотрим на примере пептида глютатион – γ-глутамилцистеинилглицин. Это вещество обнаружено в большинстве исследуемых клеток. Клетка синтезирует глютатион в две стадии: на первой стадии глутамин и цистеин соединяются с образованием γ-глутамилцистеина, на второй стадии дипептид реагирует с глицином, в результате чего получается γ-глутамилцистеинилглицин. В ходе синтеза глютатиона расходуются две молекулы АТФ.
Однако процесс синтеза белка более сложный, поскольку он не исчерпывается лишь образованием пептидных связей. В отличие от полисахаридов белковая цепь построена из двадцати различных видов аминокислот, связанных друг с другом в уникальной, не повторяющейся последовательности. Каждая аминокислота имеет свое строго определенное место в этой цепи. Если распределение аминокислот каким-то образом меняется – либо путем замены одной аминокислоты на другую, либо путем изменения последовательности двух или более аминокислот, то белок теряет свою физиологическую активность. Следовательно, проблема синтеза белка – это проблема специфичности.
Синтезом белков занимаются генетики, которых в первую очередь интересует то, каким образом клетки и организмы воспроизводят себя. Для генетика белки являются теми молекулами, которые контролируют повседневную деятельность клетки. Белки ребенка идентичны белкам его родителей. Однако ребенок развился в результате слияния двух зародышей клеток микроскопических размеров. Эти две крошечные клетки должны содержать в себе подробные инструкции и планы по созданию нескольких тысяч разных белков в биллионах различных клетках, составляющих организм ребенка.
Механизм, обеспечивающий точное воспроизведение белковой цепи новой клеткой, является механизмом передачи информации о структуре белка от родительской клетки к дочерней с последующим переводом информации на язык синтеза белковой цепи.
Чтобы рассмотреть проблему синтеза белков рассмотрим вопрос, каким образом можно собрать серии 300 аминокислот, соединив их в пептидную цепь так, чтобы порядок аминокислот вдоль цепи мог быть точно заранее определен и воспроизведен. Можно мысленно представить себе два пути построения такой цепи.
Первый путь заключается в том, что к первой молекуле аминокислоты присоединяется вторая, затем – третья, четвертая и т. д., до тех пор, пока не будет построена полностью вся цепь.
Другой путь – это накопление в каком-то месте всех аминокислот, необходимых для данной цепи, и затем при наличии полного набора практически одновременное связывание их друг с другом (наподобие застегивания «молнии» на одежде). Если второй путь представляется маловероятным, то первый заводит нас в дебри трудностей. Так, например, по первому пути для присоединения цепи из n аминокислот требуется (n – 1) ферментов. Однако по мере роста белковой цепи в длину увеличивается также и количество информации, необходимое n-му по счету ферменту для присоединения (n + 1) по порядку аминокислоты. Чтобы решить, например, вопрос о присоединении к цепи в качестве 25-й определенной аминокислоты, фермент должен иметь в своем активном центре какие-то средства проверки всех предшествующих 24 аминокислот. Это необходимо ему для обеспечения их правильной последовательности в цепи. Если для построения белковой цепи из 300 аминокислот нужно 299 ферментов, то для синтеза около 1000 разных белков, необходимых клетке, потребуется в общей сложности 299 000 специфических ферментов. К тому же для синтеза каждого из 299 000 ферментов потребуются тоже ферменты. Совершенно очевидно, что данная гипотеза бессмысленна.
Экспериментальные данные опровергают также первый путь о ступенчатом ферментативном синтезе белка. Если бы белок синтезировался путем непрерывной сборки, то в клетке, вовлеченной в активный белковый синтез, должно бы находиться большое количество не до конца синтезированных фрагментов белков. Однако в исследованных клетках это не обнаружено.
Известные биохимические особенности клетки – ее химический состав и поведение указывают на существование шаблона, или матрицы, для белкового синтеза. Будучи макромолекулой, матрица должна иметь по крайней мере ту же длину, что и синтезируемая белковая цепь. Вдоль молекулы матрицы должно располагаться множество участков, соответствующих индивидуальным аминокислотам белка. Каждый такой участок должен обладать способностью «узнавать» аминокислоты и присоединять к цепи только одну определенную.
Из всех типов полимеров в клетке роль матриц могут выполнять только нуклеиновые кислоты. Макромолекулярные цепи ДНК и РНК часто во много раз длиннее белковых цепей. Они состоят из огромного количества оснований четырех типов, распределенных вдоль цепи в каком-то сложном, но строго определенном порядке. Такие основания могут легко группироваться в последовательную цепь участков, способных различать аминокислоты и тем самым удовлетворять предъявляемому к матрице критерию специфичности.
Давно известно, что нуклеиновые кислоты имеют непосредственное отношение к процессам воспроизведения живых существ. Новая клетка, образовавшаяся в результате деления другой клетки или при слиянии двух половых гамет во время оплодотворения, чтобы регулировать свой рост и развитие, нуждается в информации. Причем, вся необходимая информация, как доказали генетики, заключена в небольшом количестве тонких нитей (у человека их 46), которые под микроскопом напоминают перепутанные ленточки. Эти нити называются хромосомами. Когда клетка, делясь, воспроизводит себе подобную, каждая хромосома расщепляется на половинки, которые расходятся в две дочерние клетки. Поэтому получается, что каждая дочерняя клетка содержит то же количество хромосом, что и родительская.
Синтез начинается с активации аминокислот, т. е. со снабжения их достаточным количеством энергии, необходимым для образования пептидных связей. Эта активация осуществляется за счет расходования АТФ при участии группы ферментов-активаторов аминокислот. Для каждого вида аминокислоты существует свой фермент-активатор. В их присутствии аминокислоты реагируют с АТФ, образуя комплексы АМФ–аминокислота:
R
│
NН2СНСООН + АТФ + Фермент → Фермент–АМФ~СОСНNН2 + Пирофосфат
│
R
На следующем этапе подготовки к синтезу белка на матрице активированные аминокислоты переносятся с ферментативного комплекса на молекулу растворимой РНК (т-РНК). Для каждого вида аминокислот существует своя специфическая т-РНК. Оказалось, что все т-РНК содержат на конце молекулы одни и те же 3 нуклеотида в одинаковой последовательности: цитозин, цитозин, аденин. Поэтому рабочий конец молекулы т-РНК можно написать следующим образом:
т-РНК–ЦМФ–ЦМФ–АМФ
Реакция переноса аминокислоты протекает так:
R
│
Фермент–АМФ~СОСНNН2 + т-РНК–ЦМФ–ЦМФ–АМФ → Фермент + т-РНК–ЦМФ–
R
│
ЦМФ–АМФ~СОСНNН2 + АМФ
В результате реакции освобождается АМФ и фермент, а аминокислота присоединяется к т-РНК посредством макроэргической связи. Следует отметить, что к этому моменту на ранних стадиях биосинтеза белка уже должны участвовать 20 разных ферментов – по одному на каждый вид аминокислоты, 20 разных т-РНК и 2 богатые энергией фосфатные связи на каждую активированную аминокислоту. Эти молекулы РНК различаются расположением оснований в цепи РНК.
На следующем этапе синтеза активированные аминокислоты переносятся на синтезирующие участки рибосом. В качестве кофактора для связывания аминоацил-т-РНК с рибосомой этот фермент требует гуанозинтрифосфат. В конце концов, т-РНК снова освобождается из рибосомы. Следовательно, т-РНК работает подобно челноку, обеспечивает снабжение матрицы активированными аминокислотами, причем отводит их на точные места и затем покидает рибосому.
Таким образом, система синтеза белка работает следующим образом: активированная соответствующим образом аминокислота приводится в контакт с цепочкой РНК, где каждая индивидуальная аминокислота «узнается» и удерживается в определенном положении с помощью группировки из 3 оснований. Если в системе присутствует достаточное количество аминокислот, чтобы составить пару всем группировкам оснований в цепи РНК, то между соседними аминокислотами образуются пептидные связи. В результате активирующая молекула т-РНК освобождается и переходит в раствор, а новая молекула белка отходит от РНК-матрицы.
Таким образом, можно сказать, что синтез белка, с какой бы скоростью он не протекал, требует не менее 22 разных ферментов, 20 молекул т-РНК, одну молекулу РНК-матрицы на белковую цепь и, по крайней мере, 6 молекул АТФ на каждую пептидную связь.
Остается ответить на один вопрос: каким образом ДНК, сосредоточенная в ядре, контролирует весь синтез клеточного белка? Ведь истинными матрицами для синтеза белка служат РНК, находящиеся в небольших частицах – рибосомах. Каким образом передается информация от ДНК в рибосомы?
Оказывается, молекула м-РНК синтезируется на матрице ДНК в ядре. Следовательно, ДНК служит матрицей для РНК, тогда как РНК впоследствии кодирует белок. Вполне вероятно, что двуспиральная молекула ДНК временно раскручивается и одна из цепей образует двуцепочную гибридную молекулу ДНК–РНК, причем каждое основание цепи ДНК спаривается с соответствующим основанием РНК. После этого ДНК освобождает новую молекулу РНК, которая перемещается в рибосомы. Такая мигрирующая РНК и есть информационная РНК, она служит матрицей для синтеза белка только после того, как присоединится к рибосомам.
Таким образом, всякий раз, когда клетка вынуждена синтезировать новый белок, будь то инфицирование фагом бактериальной клетки, либо мутация, вызванная изменением ядерной ДНК, либо возникшая потребность в новом ферменте в процессе индукции, в ядре синтезируются новые молекулы м-РНК и отправляются в рибосомы. Одна молекула м-РНК, попав однажды в рибосому, должна синтезировать, по крайней мере, несколько сотен белковых молекул, прежде чем потребуется ее обновление.