Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

суммирует представления о матричном биосинтезе белка, сложившиеся на основании его изучения у бактерий, в частности у кишечной палочки. Из схемы

видно, что биосинтез белка складывается из трех этапов: инициации, элон­

гации и терминации.

Инициация биосинтеза белка у бактерий происходит при участии трех

белковых факторов инициации-IF-l, IР-2 и IF-З (Initiation Factors 1, 2 и 3). IР-3 представлен белком с М=21 000-23500. Он вызывает конформационные

изменения в ЗОS субчастице рибосомы, способствующие связыванию ею IF-l,

IР-2, ГТФ, мРНК и формилметионил-тРНк. Присоединение последней обес­

печивает поступление в рибосомальный аппарат клетки первой, N-концевой аминокислоты, а именно-формилметионина, которым открывается полипеп­ тидная цепь любого белка, синтезируемого у бактерий. Впоследствии N- концевой остаток формилметионина в результате посттрансляционных из­ менений белка может отщепляться. тРНК, переносящая формилметионин

в процессе белкового синтеза у бактерий, отличается от тРНК, осуществля­

ющей перенос метионина в процессе сборки полипептидной цепи, т. е. сущест­

вуют трНКфмет И трнкмет:

НЗС-S-СН2-~Н2

H2N-CH-CO-

Именно IF-З присоединяется первым к ЗОS субчастице рибосомы, открывая

этап инициации белкового синтеза и изымая ЗОS субчастицу рибосомы из пула свободных ЗОS и 50S субчастиц рибосом, возникающих в процессе диссоци­

ации рибосом 70S. Он же способствует созданию на субчастице ЗОS мРНК­

связывающего центра.

IР-l и IР-2 представляют белки с молекулярными массами 8900-9400

и 90000-118000 соответственно. IР-l стимулирует процесс связывания фак­

тора IР-2 с ЗОS субчастицей рибосомы и способствует присоединению к ней

мРНК. IР-2 играет центральную роль в связывании формилметиониновой

тРНК с субчастицей ЗОS и в гидролизе гуанозинтрифосфата. Последний необходим для осуществления инициации биосинтеза белка, хотя полностью

его функция в этом процессе еще не выяснена.

Присоединение IF-l, IР-2, формилметионил-тРНК и ГТФ к ЗОS субчастице осуществляется в виде комплекса (см. рис. 99). Кактолько оно произойдет, к ней же

присоединяется мРНК, причем в результате взаимодействияантикодона формил­

метиониновой тРНК с кодоном мРНК (им является триплет АУГ) предопределя­

ется такое расположение мРНК на рибосоме, которое обеспечивает далее

считывание содержащейся в последовательности ее нуклеотИДНЫХ остатков

информации о первичнойструктуресинтезируемого белка. Таким образом, именно формилметиониноваятРНК помогаетмРНКнайтина ЗОS субчастице ту позицию,

которая необходима для трансляции информации о последовательности амино­ кислотных остатков в белке, и именно в этомзаключается ее значение в инициации белкового синтеза у бактерий. У эукариот эту функцию часто вьmолняет тРНКмет, но опять специфичной структуры, которая отличается от структуры трнкмет, переносящей остатки метионина в процессе элонгации белкового синтеза.

Вместе с тем сейчас показано, что гораздо большее значение для стабилизации

необходимого расположения мРНК в ЗОS су6частице имеет присутствующая в ней

290

~ФуЕF~u'ГДФ+Рн

~

If

IF2 ~+ГДФ+Ри ~~ ~

ЧJ+ЕF-О+ГДФ~о... ~~,,~~#'

'F-О+ГТФ~~

ТраНСЛ,.DD----.UИJl ......

IjJ+H-О +гДФ ЕР-;О +ГТФ

Рис. 99. Схема биосинтеза белка у кишечной палочки (пояснение в тексте):

трн главных этапа матричного биосинтеза белка-ивици8UИJl, ЭJlонгаUИII и термивации-выделевы раtЛамв; бcmcовые факmры инициации R элонгацин YUЗ8НЫ условнымR знапами. приведенныии непосредственно 118 схеме; часть условных обозначений дана отдельно в верхнем правом углу рвсувха

последовательность Шайна-Дальгарно (короткая-ААГГА или длинная­

УААГГАГГ), взаимодействующая с комплементарным фрагментом на 3'-конце 16S рРНК и находящаяся на расстоянии от 5 до 13 н. о. от стартового АУГ кодона.

Присоединение мРНК к комплексу, состоящему из 30S субчастицы, факто­

ров инициации и ГТФ сопровождается высвобождением фактора инициации

IF:'З, выполнившего присущую ему функцию (см. рис. 99). Комплекс, включа­

ющий теперь в свои состав еще мРНК, жадно притягивает 50S субчастицу

и соединяется с неи, образуя 70S рибосому, причем IF-l в этот момент покидает рибосому, так как он тоже выполнил свою роль: стабилизацию в рибосоме мРНК. Сохранившийся еще в возникшей 70S рибосоме IF-2, связанный с ГТФ, обеспечивает ускорение реакции распада ГТФ на ГДФ и неоргаШlЧеский фосфат и высвобождается из рибосомы вместе с продуктами

291

гидролиза ПФ. Выделяющаяся при гидролизе ГТФ энергия, видимо, необ­ ходима для осуществления конформащюнных перестроек в рибосоме 70S,

в результате чего формилметионил-тРНК стабилизируется в пептидильном

центре рибосомы (см. l-ю фазу элонгации на рис. 99). Такая рибосома способ­

на теперь вести сборку полипептидпой цепи белка заданной структуры, вслед­ ствие чего ее называют транслирующей (активной) рибосомой. В транслиру­

ющей рибосоме идет, следовательно, процесс элонгации белкового синтеза.

В клетках эукариот инициация рибосомального белкового синтеза идет

тоже при участии эукариотических факторов инициации (eIF-еukаryоtiс

Initiation Factors). Их насчитывается девять: eIF-l, eIF-2, eIF-З, eIF-4А, eIF-4В, eIF-4С, eIF-4D, e1F-5 и eIF-6. Все они, за искmoчением e1F-2 и eIF-З, представ­

лены одиночными полипептидаМи с М от 15000 (eIF-l) до 160000 (eIF-5).

Фактор eIF-2, по-видимому, является димером (М=86000; сх-субъединица- 38000; (3-субъединица-48000); eIF-З состоит из нескольких субъединиц при

суммарной молекулярной массе более 500000.

Из девяти перечисленных белковых факторов абсолютно необходимы для

инициации биосинтеза белка у эукариот eIF-2, eIF-З и eIF-5, а остальные факторы

усиливают функции этихтрех. Фактор e1F-2 взаимодействует своей (3-субъедини­

цей с метионил-тРНК, а сх-субъединицей-с ГТФ, образуя комплекс с субчасти­ цей 4OS. Его деятельность контролируется фосфилированием сх-субъединицы при участии специфической протеинкиназы. Фактор eIF-З тоже присоединяется к субчастице 40S, что сопровождается возникновением на ней mPHK-связыва­

ющего центра и стабилизацией связи с нею комплекса eIF-2· метионил­ тРНК· ПФ. После присоединения мРНК к субчастице 40S по mPHK-связыва­ ющему центру она, при участии фактора eIF-5, энергично притягивает 60S субчастицу,происходит выброс всех присоединенных ранее, в том числе и eIF-5,

белковых факторов, гидролиз ГТФ и закрепление метионил-тРНК в пептидиль­

ном центре возникшей активной, способной осуществлять трансляцию рибосо­

мы 80S. Фактор e1F-6 обеспечивает диссоциацию 80S рибосомы на субчастицы

40S и 60S, высвобождая 40S субчастицу для нового цикла инициации.

Элонгация биосинтеза белка в бактериальной клетке обслуживается тремя

белковыми факторами элонгации: ЕР-Т.., EF-Ts и EF-G (элонгационные факто­

ры трансляции трех типов- и, S и G). У млекопитающих два фактора элонга­

ции: ТР-l и ТР2 (трансляционные факторы первый и второй). ЕР-Т.. (М =47 000) и ЕР-Тв (М=35000) бактерий соответствует ТР-l (М= 186000) млекопитаю­ щих, а EF-G бактерий-ТF-2 (М=70000) млекопитающих. EF-G кишечной

палочки имеет молекулярную массу 77321,45 и представлен полипептидом (701 аминокислотный остаток), первичная структура которого выяснена.

Процесс элонгации начинается со связывания аминоацил-тРНК, содержащей аминокислотный остаток; который должен быть вторым с N-конца молекулы

синтезируемого в рибосоме белка. У бактерий эта .аминоацил-тРНК образует

комплекс с ЕР-Т.. и ГТФ, в виде которого она присоединяется к аминоацильному центру транслирующей рибосомы в соответствии с кодом белкового синтеза

(см. ниже), т. е. благодаря взаимодействию комплементарных триплетов анти­

кодона тРНК и кодона мРНК, локализованного против аминоацильного центра

рибосомы (см. рис. 98 и 99). У млекопитающих это происходит при участии TF-l.

По современным данным, не только кодонантикодоновое взаимодейст­

вие предопределяет отбор соответствующих аминоацил-тРНК для сборки полипептидной цепи. В этом участвует вся молекула тРНК, так как посттран­

сляционная модификация сильно изменяет ее способность акцептироваться

рибосомой. В процесс декодирования вовлекаются и белки рибосомы: 84, S9, S13, L2 и L7. Два последних, будучи локализованы в пептидильном центре рибосомы, образуют с двумя молекулами тРНК тетрамерный комплекс.,

292

и аминоацил-тРНК, и ГТФ связываются с ЕР-Т" за счет свободных

Н8-групп остатков цистеина его молекулы, причем первичная структура цент­

ра связывания ГТФ (и ГДФ соответственно) на протяжении 42 аминокислот­

ныIx остатков расшифрована. Активность EF-T" регулируется фосфорилирова­ нием и взаимодействием с ррГрр 1.

Благодаря расщеплению ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат амино­

ацил-тРНК сближается с формилметионил-тРНК, локализованной в пепти­

дильном центре рибосомы, а ЕР-Т.. в комплексе с ГДФ инеорганический

фосфат выносятся из рибосомы. ЕР-Т.. · ГДФ-комплекс при взаимодействии

с ЕР-Ts и ГТФ преобразуется в ЕР-Т" . ГТФ-комплекс, способный соединяться со следующей молекулой аминоацил-тРНК (см. рис. 99).

В пептидильном центре между формилметионил-тРНК и аминоацил-тРНК

происходит реаJ(ЦИЯ, благодаря которой остаток формилметионина перено­ сится на свободную NН2-группу аминокислотного остатка, являющегося со­ ставной частью аминоацил-тРНК. В результате возникает дипептидил-тРНК,

т. е. замыкается первая пептидная связь в будущей молекуле белка, а также

образуется деацилированная трнкФ...ет (см: рис. 99). Этот процесс получил

название реакции транспептидирования. Он ускоряется соответствующим фер­ ментом, причем транспептидазная активность присуща рибосомным белкам

L1б, Lll и Lб и, вероятно, фрагменту 238 рРНК (см. рис. 98).

Пептидил-тРНК на следующей фазе элонгации переносится на место

трНКфмет В пептидильном центре рибосомы, а последняя удаляется из него,

перемещаясь в Е-центр рибосомы, из которого она затем вытесняется очеред­

ной аминоацил-тРНК и выносится из рибосомы.

Эта ступень элонгации называется транслокацией и происходит при участии

EF-G у бактерий и ТР-2 у эукариот, а также сопровождается непременным

гидролизом еще одной молекулы ГТФ (см. рис. 99). В результате транслокации

дипептидил-тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы, тогда как

ее аминоацильный центр полностью освобождается и готов теперь принять новую аминоацил-тРНК вкупе с ЕР-Т.. или ТР-l и ГТФ. Особенно важно, что

притранслокации пептидил-тРНКперемещается в пептидильный центр рибосо­ мы вместе с молекулой мРНК, с которой она связана благодаря антикодон­

кодоновому взаимодействию (см. рис. 98). Это перемещение идет точно на один

триплет нуклеотидных остатков, т. е. напротив аминоацильного центра ока­

зывается следующий по порядку кодон молекулы мРНК, предопределяющий, какая аминоацил-тРНК вступит в аминоацильный центр рибосомы и явит­ СЯ источником очередного аминокислотного остатка в новообразуемом

белке.

Терминация белкового синтеза в рибосоме осуществляется тоже при уча­

стии трех белковых факторов: RF-l, RF-2 и RF-З У бактерий и единственного

белкового фактора-R-у высших организмов (от англ. гесоgnizе-узна­ вать). В клетке кишечной палочки насчитывается примерно по 500 молекул этих белков. Белковые факторы ЯF-l и RF-2 имеют молекулярную массу по 45000 и способны распознавать в молекуле мРНК терминирующие сборку

полипептидной цепи кодоныI: фактор RF-I-УАГ и УАА, а фактор RF-2-YAA

и УГА. Фактор RF-З (его называют также S-протеин) стимулирует действие

факторов RF-l и RF-2.

Как только в аминоацильном центре рибосомы после очередной трансло­

кации терминирующий КОДОН молекулы мРНК займет соответствующее ме­

сто, к нему присоединяется один из факторов терминации RF-l или RF-2.

I ррГрр-З'-пирофосфо-гуанозин-5'-пирофосфат.

293

Этим блокируется возможность присоединения молекулы аминоацил-тРНК,

тем более, что терминирующим кодонам не соответствует ни один из антико­ донов в трнк. Присоединение к мРНК фактора RF-l или RF-2 возбуждает пептидилэстеразную активность рибосомальных белков, в частности белков L 11 и L16, локализованных в 50S субчастице (см. рис. 98), вследствие чего гид­ ролизуется сложноэфирная связь между новообразованным полипептидом

и тРНК. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее. Одновременно освобождаются тРНК и мРНК, а рибосома 70S распадается на субчастицы зоs и 50S, поступающие в общий фонд рибосом и их субчастиц,

откуда они черпаются для нового цикла биосинтеза белковой молекулы (см.

рис. 99). В терминации биосинтеза белка по матричной схеме принимает

участие молекула ГТФ. У бактерий она служит аллостерическим регулятором

активности белковых факторов терминации, а у животных распадается на

ГДФ и неорганический фосфат.

Долгое время считали, что у эукариот-единственный распознающий терминирующие кодоны фактор (eRF). Он был охарактеризован (50 кДа)

исеквенирован. Однако недавно описана группа родственных ему белков, названных eRF1. Эти белки выделены из человека, лягушки и дрожжей, секвенированы (428, 437 и 437 аминокислотных остатков соответственно),

взаимодействуют с тремя терминирующими кодонами и ГТФ-независимы, что делает контроль терминации биосинтеза белков более надежным:

Мультиэнзимный механизм биосинтеза пептидов. Разработка мультиэнзим­

ного пути биосинтеза пептидов осуществлена Ф. Липманом и сотр. (1968).

Внастоящее время доказано, что по меньшей мере 5 антибиотиков пептидной

природы: грамицидин, тироцидин, бацитрацин, циклоспорин и микобацил­ лин-синтезируются без всякого участия нуклеиновых кислот, в том числе

итРНК, но при этом обеспечивается безошибочная сборка полипептидных цепей, характеризующихся определенной первичной структурой.

Биосинтез грамицидина S осуществляется при посредстве мультиэнзимной снстемы; состоящей из двух белковых фракций с молекулярными массами 280 000

и 100000. Они выделены из белкового экстракта Bacillus brevis, из которого при посредстве гельфилътрации через сефадекс G-200 удалось получить две взаимо­ дополняющие друг друга упомянутые выше белковые фракции. Будучи соедине­

нывместе, в присутствии аминокислот, АТФ и Mg2 + они обеспечивают синтез in vitro циклического декапептида-грамицидина S (рис. 100).,

Легкая беЛICовая фракция (М = 100000) рацемизирует и активирует D-фенилала­

нин, а тяжелая (М = 280 000)- активирует 4 остальные L-аминокислоты. Активи­

рование аминокислотуказанными ферментами осуществляетсяпутемобразования

на l-мэтапеаминоациладенилатов перечисленных аминокислот (пореакциимежду

свободнымиаминокислотамии АТФс выделениемпирофосфата), ана2-M-nyтeM

переноса аминоацильных групп с аминоациладенилатов на НS-группы остатков

цистеина, содержащихся в поmшеnтиднойцеписамого фермента, с образованием

тиоэфиров аминокислот. Втаком состояниилегкая фракция, содержащая активиро­

ванный по СООН-группе D-фенилаланин, будучи соединена с тяжелой фракцией,

содержащей активированные по СООН-группам L-пролин, L-валин, L-орнитин

и L-лейцин, инициирует последовательныIй биосинтез пептидных связей между

перечисленными аминокислотами в том порядке, в каком они располагаются

вмолекуле грамицидина s. Непосредственно перенос остатка D-фенилаланина

с его тиоэфирной связи (на легкой белковой фракции) на NН2-группу остатка

L-пролина, соединенного тиоэфирной связью с субъединицей тяжелой белковой

фракции, осуществляется аминоацилпроводящимбелком (АПБ), присутствующим

вмультиэнзимном комплексе. Это белок сравнительно небольшоймолекулярной массы (около 20000) с пантотеином 'в качестве простетической группы:

294

Остаток D-фенилаланина сначала переносится на НS-группу пантотеина,

а затем с нее-на NН2-ГРУППУ L-пролина. Так возникает первая пептидная связь в будущей молекуле грамицидина. Далее остаток дипептида D-фен-L­

про поступает с тиоэфирной связи (с субъединицей тяжелой белковой фракции)

на НS-группу пантотеина АПБ, а с нее-на NН2-ГРУППУ остатка валина.

Пептидилтрансферазная реакция повторяется до тех пор, пока не будет синте­

зирован пентапептид D-феН-nро----вал-орН-лeU (см. рис. 100). Так как одно­

временно на расположенном рядом идентичном мультиэнзимном комплексе

синтезируется еще один такой же пентапептид, то они соединяются по типу «голова к хвосту» и образуют молекулу циклического декапептида-грамици­

дина S (см. рис. 100).

В соответствии с рассмотренным выше механизмом идет биосинтез дрyrо­ го антибиотика пептидной прир~ды-тироцидина:

D-фен-nро-фен-D-фен-аен

I I

лeU- орн-вал--muр-глн

Здесь мультиэнзимная система осуществляет полную сборку циклического декапептида, т. е. последовательно синтезируется 10 пептидных связей в соот­ ветствии с первичной структурой пептида. Этот мультиэнзимный комплекс

устроен сложнее, так как состоит из трех белковых фракций: 1) М = 100000-

SH

фен-про-вал-орн-лей

лей-орн-вал-про-фен

фен-про-вал-орн-S

Рис. 100. Мулътиэнзимный механизм биосинтеза половины молекулы грамицидина (пояснение в теЕСте)

295

рацемизует (и активирует) D-фенилаланин; 2) М=2ЗОООО-актцвирует L- пролин; 3) М = 460 000- активирует D-фенилаланин, аспарагин, глутамин,

тирозин, валин, орнитин и лейцин, а также рацемизует фенилаланин.

Недавно доказано, что при посредстве мультиэнзимного комплекса идет

биосинтез микобациллина-циклического lЗ-членного пептида, бацитрацина

А и циклоспорина А (оба-Il-членные циклические пептиды).

Ф. Липманом предпринята попытка связать матричную инематричную

схемы биосинтеза белков в единую концепцию. Хотя в последней выяснены не

все детали, несомненно, что в эволюционном аспекте мультиэнзи~ный путь

сборки полипептидов заданного строения предшествовал рибосомальному пути их биосинтеза, и сейчас у микробов сосуществуют оба пути. Весьма

показательна аналогия в деятельности мультиэнзимных систем пептидного

биосинтеза и функционирования синтетазы высших жирных кислот, что указы­ вает на широкое использование в природе принципа мультиэнзимного биосин­

теза достаточно сложных соединений.

:Кодирование биосинтеза белка. Выяснение вопроса о том, какой именно триплет нуклеотидов в составе мРНК кодирует вступление в белок определен­

ной аминокислоты, представляет одну из самых увлекательных страниц со­ временной биохимии и молекулярной биологии.

Как перевести четырехбуквенный (по числу оснований, входящих в мРНК, т. е. А-аденин, Г-ryанин, Ц-цитозин и У-урацил) код в двадцатибуквенный (по

числу аминокислот, составляющих белковую молекулу)?

Если каждой комбинации нуклеотидов в мРНК приписать способность кодировать положение одной аминокислоты в белке, то дуплетный код вряд ли возможен (число пар нуклеотидов менее числа постоянно встречающихся

в белке аминокислот), квадруплетный нереален (число сочетаний слишком

сильно превышает число аминокислот), в то время как триплетный код

наиболее удовлетворяет численному соотношению возможных кодонов и бел­

ковых аминокислот. Указанные расчеты основаны на том, что при соединении

4 нуклеотидов попарно можно получить 16 комбинаций, по три-64, по четыре-256 комбинаций и т. д.:

Посредством ряда остроумных опытов триплетная природа кода белково­ го синтеза доказана экспериментально. Сначала был установлен качественный

состав нуклеотидных остатков, которые входят в состав одного или несколь­

ких кодонов, обеспечивающих вступление в состав белка той или иной амино­

кислоты. Решающую роль здесь сыграло наблюдение М. Ниренберга (1961),

296

который, используя в качестве мРНК полиуридиловую кислоту, впервые

показал, что вступление в полипептидную цепь фенилаланина кодируется

УУУ-триплетом. Полиуридиловая кислота, поли (У), вводилась им в белок­

синтезирующую бесклеточную систему, составленную из промытых (лишен­

ных мРНК) рибосом, полного набора тРНК, аминоацил-тРНК-синтетаз и ами­

нокислот (некоторые из последних мечены 14с или 15N), АТФ и генерирующих

ее соединений (фос~оенолпируват, ацетилфосфат и подобные им вещества),

ГfФ, Mg2+ и Мп2 • В этой системе на поли (У) в качестве матрицы шел

синтез пептидов, составленных только из остатков фенилаланина. Благодаря

применению в этой же системе почти полного набора синтетических гомо­ и гетерополирибонуклеотидных матриц, полученных с помощью полинукле­

отидфосфорилазы, в лаборатории с. Очоа в течение года была завершена

работа по выявлению качественного состава кодонов для всех аминокислот. Самую большую трудность представляло выяснение последовательности

нуклеотидов в кодонах, определяющих положение аминокислоты в белковой

молекуле: ведь при известном качественном составе кодона оставалось

неясным, какое же чередование нуклеотидных остатков в нем (например,

АЦУ, ЦАУ, УАЦ, АУЦ, ЦУА или УЦА) действительно кодирует данную

аминокислоту при биосинтезе белка в рибосоме. Но и эта трудность была преодолена после того, как было обнаружено, что синтетические трину­

клеотиды, подобно мРНК, могут специфически связывать аминоацил-тРНК

с рибосомами, а в лаборатории Г. Корана были синтезированы поли­

рибонуклеотиды заданного строения (с известной последовательностью ну­

донов для каждой аминокислоты.

В результате уже к концу 1965 г. были получены полные данные о коде белкового синтеза в рибосомальном аппарате клетки (табл. 23). Как видно из

таблицы, из 64 триплетов 61 кодирует последовательность вхождения амино­

кислот в полипептидную цепь в процессе ее биосинтеза в рибосоме. Три триплета (УАА, УАГ и УГА) не участвуют в кодировании. Однако и они играют важную роль в биосинтезе белка. Именно эти триплеты распознаются белко­ выми факторами терминации в тот момент, когда они окажутся (по мере

продвижения мРНК через рибосому) в ее аминоацильном центре. А это, как известно, приводит к завершению синтеза белковой молекулы.

297

Детальное изучение свойств кода белкового синтеза показало, что он

является триплетным, непрерывным, неперекрывающимся, вырожденным

и универсальным.

Триnлетность кода доказана в результате проведения ряда целенаправлен·

НbIX экспериментов. Среди них-сопоставление числа мутаций в геноме фага Т4 с появлением мутантов и их возвратом к исходному типу прм обработке

бактериофага химическим мутагеном-акридиновым оранжевым (Ф. Крик); выяснение минимальной длины фрагмента олигоуридиловой кислоты, способ­ ного связать фенилаланил·тРНК (М. Ниренберг); синтез олигорибонуклеоти·

дов заданного строения и изучение их кодирующих свойств при использовании

в качестве мРНК в белоксинтезирующей бесклеточной системе (г. Корана); анализ распределения аминокислотных замен в гомологичных белках (Г. Вит· тман).

Казалось бы, не осталось уже сомнений в том, что взаимодействие трипле·

тов нуклеотидов (кодонов) в мРНК с триплетами нуклеотидов (антикодона­

ми) в тРНК однозначно определяет связывание соответствующей аминоацил­

тРНК с рибосомой. Однако в последнее время накопились факты, доказываю·

щие, что существенное значение для кодирования имеют лишь два из трех

нуклеотидных остатков в кодоне (У. Лагерквист, 1978). Так, в табл.23, где сведеныI дaHНbIe о коде белкового синтеза, легко заметить, что существуют

семейства кодонов, отличающиеся только третьей буквой-именно она рас­ познается в ряде случаев неоднозначно. Сначала для объяснения этого явления

использовали представление о неполном соответствии правилу комплемен­

тарности сочетания азотистых оснований в кодоне и антикодоне (wobble· гипотеза, т. е. гипотеза, допускающая «болтанку», неточную подгонку основа·

нИЙ). Сейчас все более придерживаются rипотезы два И3 трех. Таким образом, код белкового синтеза, по существу, является квазидуплетным (условно, мни­

модупдетным).

Непрерывность кода белкового синтеза состоит в том, что все входящие

в его состав кодоныI располагаются в мРНК, кодирующей биосинтез опреде· ленного белка, в строгом порядке один возле другого, не будучи разделен·

ными иными моно· или олигонуклеотидными вставками.

Неперекрывающийся характер кода белкового синтеза закmoчается в том,

что ни ОдИн из нуклеотидов одного кодона не является составной частью

другого (соседнего) кодона.

Вырождениость кода СВОдИтся к его множественности для тех илииных аминокислот. Из табл. 23 видно, что вступление в полипептидную цепь как леЙцина. так и аргинина обеспечивается шестью различными кодонами; по·

давляющего большинства других аминокислот-четырьмя или двумя кодона·

ми и лишь в ОдИночных случаях (метионин и триптофан)-одним кодоном. Естественно, что вследствие вырожденности кода существуют соответствую­

IЦИе наборы тРНК, взаимодействующих с комплектом КОДОНОВ для данной

аминокислоты.

Наконец, универсальность кода белкового синтеза определяется тем, что он един для всего живого на земле: от простейшего фага или бактерии.До венца творения-человека и неизменен уже более 3 млрд. лет. Однако код белково­

го синтеза в митохондриях существенно отличается от такового прокариот

иэукариот и его происхождение остается загадкой. К тому же у реснитчатых

имикоплазм он тоже отличается от канонического: терминирующие кодоныI

у них вьmолняют кодирующую функцию.

Кперечисленным пяти свойствам кода следует добавить еще помехоустой­ чивость, наличие в нем знаков пунктуации (инициирующие и терминирующие

триплеты), серийвосвязаниость (см. серии кодонов в табл. 23), симметричность

298

(поворот на 1800 не нарушает расположения сильных и слабых оснований).

сцепленность состава и расположения оснований в кодоне с поляриостыо

и размерами аминокислот и, наконец, однозначность (каждый кодон соответст­

вует единственной аминокислоте).

Всегда ли кодирование осуществляется с абсоЛlOТНОЙ точностыо или воз­

можно ложное кодирование и ВКЛlOчение аминокислоты в полипептидную

цепь не в соответствии со структурой кодона? СчитаlOТ, что определенный

уровень ложного кодирования запрограммирован ЭВОЛlOционно; и в тех случа­

ях, когда вследствие мутации изменен один из кодонов В мРНК. он может транслироваться как неизменённый «<Ложь во спасение»). Эrо помогает клеткам, в том числе и бактериальным, ·выжить при неблагоприятных мутациях. Нали­

чие ложного кодирования показано и в нефизиологических условиях, в опытах

по синтезу пептидов в бесклеточных белоксинтезируlOЩИХ системах. Так, на

поли (У) наряду с массированным ВКЛIOчением в полипептиднуlO цепь фенила­ ланина отмечено наличие в возникаlOЩИХ на этой матрице пептидах лейцина

и изолейцина, а также в уменьшаlOЩИХСЯ количествах серина, тирозина и ва­

лина. Ясно, что эти аминокислоты вступaJOТ в пептиднуlO фракЦИIO вследствие

ложного кодирования, причиной которого является квазидуплетность (два из трех) кода белкового синтеза и возможность неполного соответствия кодона

и антикодона в процессе трансляции (wоЬЫе-гипотеза~. Ложное кодирование

усиливается при увеличении концентрации в среде Mg +, путресцина, сперми­

дина, этанола, а также при понижении рН и температуры инкубации. В физио­

логических условиях его уровень составляет 10-4-10-3 ошибок на кодон

и в определенной мере увеличивает жизненнyJO гибкость и потенции клетки (синтез вариантов белков и т. п.). Вопросы ложного кодирования в процессе

белкового синтеза успешно изучаlOТСЯ в Институте белка в Пущино под руководством акад. А. С. Спирина.

Проблема кодирования биосинтеза белков в последние годы обсуждается

еще в одном принципиальном аспекте. Исходя из работ, в которых удалось доказать способность некоторых белков без участия нуклеиновых кислот

обеспечивать собственное мультиплицирование, накопление и реализацИlO

присущего им патологического (инфекционного) процесса, В. А. КордlOМОМ

выдвинута концепция о существовании новой формы биологической инфо­ рмации-пространственной структуры белка, способной к самовоспроизве­

дениlO.

ПЕРЕНОС НОВООБРАЗОВАJПIЫХ БЕЛКОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Значительная часть синтезируемых клеткой белков в зависимости от их

функционального назначения либо переносится через мембраны, либо встраи­

вается в них. Недавно удалось расшифровать молекулярныIe механизмы,

обеспечиваlOщие перемещение столь болышlx молекул, какими ЯВЛЯlOтся бел­

ки. Оказалось, что проникновение белков через биологические мембраны, равно как и их встраивание в мембраны, осуществляется с помощыо сигиаль­

ных пептидов. Такое предположение впервые было высказ::j.НО в начале 70-х

годов Г. Блобелем и д. Сабатини и стало известно в дальнейшем как сигналь­

ная гипотеза Блобеля. В настоящее время эта гипотеза подтверждена экспери­

ментально.

Сигнальные пептиды представлены фрагментами полипептИДНЫХ цепей

белков в их N-концевой части протяжевностыо 15-30 аминокислотных

299