Биохимия растений

тРНК, а фермент и адениловая кислота высвобождаются:

Следует отметить, что промежуточный продукт — аденилат˝

аминокислоты — взаимодействует с тРНК, не выходя из ферм˝ент-

ного комплекса, который кроме каталитической выполняет е˝ще

две функции: контролирующую и корректирующую. При синтезе˝ аминоацил-тРНК фермент точно выбирает и присоединяет к со˝-

ответствующим акцепторным участкам определенную аминок˝ис-

лоту и определенную тРНК. Контролирующая функция амино-

ацил-тРНК-синтетазы заключается в том, что фермент распоз˝нает

правильность присоединения к аденилату аминокислоты со˝ответствующей тРНК. Если в ходе реакции произошла ошибка, то ами˝-

ноацил-тРНК-синтетаза, соответствующая данной тРНК, подве˝р-

гает гидролизу образовавшееся соединение.

Корректирующая функция связана с проверкой ферментом

правильности подбора аминокислоты для соединения с опре˝деленной тРНК. В случае присоединения к молекуле тРНК непра˝-

вильной аминокислоты образовавшаяся аминоацил-тРНК так˝же

подвергается гидролизу. В результате точной работы ферме˝нта,

активирующего аминокислоты, вероятность неправильного ˝со-

единения аминокислоты с тРНК очень мала и обычно не превы˝- шает 0,00006.

Следующий этап синтеза белков, называемый инициацией

синтеза полипептидной цепи, происходит с участием рибосо˝м,

зрелой мРНК, специфических белковых факторов и инициатор˝- ной аминоацил-тРНК. В результате их взаимодействия образу˝ется инициаторный комплекс, в котором осуществляется соедине˝ние мРНК с рибосомой и инициаторной аминоацил-тРНК.

Рибосомы — это нуклеопротеидные частицы, в которых моле˝-

кулы рибосомных РНК образуют комплексы с набором специфи˝- ческих рибосомных белков (55 у бактерий и около 70 у эукариот)˝, многие из которых обладают основными свойствами, так как ˝содержат большое количество остатков лизина и аргинина. Диа˝метр

бактериальных рибосом обычно составляет 22 нм, длина — окол˝о 30 нм. Размеры рибосом цитоплазмы эукариотических клеток

превышают размеры бактериальных рибосом в среднем в

1,17 раза. Однако чаще всего размеры рибосом выражают в едини-

цах Сведберга (S) по скорости седиментации частиц в процес˝се ультрацентрифугирования.

511

Бактериальные 70S-рибосомы состоят из двух субъединиц — малой 30S-субъединицы и большой 50S-субъединицы. В цитоплазме клеток высших организмов содержатся соответстве˝нно 80S-рибосомы, которые распадаются на 40S- и 60S-субъединицы.

В хлоропластах и митохондриях клеток высших организмов и˝меются свои собственные рибосомы, которые по химическому со˝-

ставу и размерам ближе к рибосомам прокариот.

Инициация синтеза полипептидной цепи всегда начинается˝ с

участием особой метионил-тРНКi, которая с помощью водород-

ных связей комплементарно присоединяется своим антикод˝оном

УАЦ к кодону АУГ мРНК, называемому в связи с этим инициаторным кодоном. Таким образом, синтез любой полипептидной цепи начинается с включения в нее на N-конце остатка аминокисло˝ты

метионина, однако после того как синтез полипептида осуще˝ств-

ляется, его молекула может подвергаться так называемой посттрасляционной модификации, в ходе которой концевые фрагменты

молекулы полипептида могут отщепляться специфической п˝ротеазой, поэтому функционально активные полипептиды не всег˝да

содержат на N-конце остатки метионина. С меньшей частотой в˝

качестве инициаторного кодона может использоваться три˝плет

ГУГ, к которому также присоединяется метионил-тРНКi.

У бактерий к инициаторному кодону присоединяется N-фор- милметионил-тРНКi, у которой аминогруппа метионина блокиро-

вана формильной группировкой:

Однако вскоре после начала синтеза полипептидной цепи фо˝р- мильная группировка отщепляется. В отличие от аминоацил-

òÐÍÊi, участвующей в инициации синтеза полипептидной цепи,

перенос остатков метионина в процессе дальнейшего синте˝за полипептидной цепи осуществляется метионил-тРНК второго т˝ипа, которая не может взаимодействовать с инициаторным кодон˝ом.

Образование инициаторного комплекса катализируют специ˝-

фические белки, называемые белковыми факторами инициаци˝и

синтеза полипептидной цепи. У бактерий это белковые факто˝ры IF1, IF2, IF3, у растений и животных — IF-М1, IF-М2, IF-М3. Наиболее хорошо генетическая система синтеза белков изучена у

бактерий.

Âбактериальной клетке инициация синтеза белков начинае˝тся

ñтого, что белок IF3 связывается с малой субъединицей рибос˝омы

512

Рис. 12.11. Схема инициации синтеза полипептидной цепи:

IF1, IF2, IF3 — белковые факторы инициации синтеза полипептидной цепи; А˝УГ — инициаторный кодон; тРНКMet — метионил-тРНКi, с участием которой начинается синтез полипептидной цепи

(рис. 12.11), предотвращая ее соединение с большой субъединицей. Затем происходит присоединение малой рибосомной суб˝ъе-

диницы к участку на мРНК, содержащему инициаторный кодон.˝

После этого оказывается возможным комплементарное прис˝оеди-

нение к инициаторному кодону N-формил-тРНКi с участием бел-

ковых факторов IF2, IF1 и образование так называемого инициа-

торного комплекса. При этом белок IF2 содержит в связанном с˝о-

стоянии ГТФ, который в дальнейшем подвергается гидролизу˝ в процессе присоединения к инициаторному комплексу больш˝ой

513

субъединицы рибосомы, а высвобождающаяся при гидролизе энергия используется для формирования комплекса рибосо˝мы, мРНК и присоединенной к ней метионил-тРНКi. Образовавшийся комплекс способен в дальнейшем участвовать в следующе˝м эта-

пе синтеза белка — элонгации полипептидной цепи, а белковые факторы IF3, IF1 и IF2 высвобождаются.

В клетках высших организмов порядок формирования инициа˝- торного комплекса несколько отличается: с малой субъедин˝ицей

рибосомы вначале связываются метионил-тРНКi, а затем уже к

рибосоме присоединяется молекула мРНК.

Процесс элонгации полипептидной цепи катализируют спец˝и-

фические белки — у эукариот EF1 и EF2, у прокариот — EF-Тu и EF-G. Кроме того, для осуществления синтеза необходима энер-

гия, которая доставляется в рибосомы в виде ГТФ. Прежде чем˝

включиться в синтез белков, активированные в форме аминоа˝цил-

тРНК аминокислоты образуют комплексы со специфическими˝

белками EF1 и ГТФ и в таком виде проникают в рибосому. Однако к соответствующему кодону мРНК, следующему за инициато˝р-

ным, может комплементарно присоединяться только аминоац˝ил-

тРНК, имеющая необходимый антикодон. После присоединения˝

к мРНК данного антикодона происходит высвобождение из ко˝мп-

лекса белкового фактора EF1, которое сопровождается гидрол˝и- зом ГТФ (рис. 12.12).

Второй этап элонгации полипептидной цепи заключается в о˝б-

разовании пептидной связи между аминокислотными остатк˝ами

метионина и другой аминокислоты, присоединенной через ан˝ти-

кодон тРНК к следующему кодону мРНК. Направление размеще-˝ ния кодонов в мРНК происходит от 5′-конца к 3′-концу, а направление образования пептидных связей в синтезирующемся пе˝пти-

де — от N-конца к С-концу. Образование пептидной связи катализирует фермент пептидилтрансфераза, которая входит в состав большой субъединицы рибосомы. Энергия, необходимая для синтеза пептидной связи, высвобождается в результате рас˝щеп-

ления макроэргической связи между остатком аминокислоты и

тРНК. Образование пептидной связи под действием пептидил˝- трансферазы можно записать в виде следующей реакции:

514

Рис. 12.12. Элонгация полипептидной цепи:

À — присоединение к активной рибосоме аминоацил-тРНК с со˝ответствующим антикодоном; Á — синтез пептидной связи между аминокислотными остатк˝ами в большой субъединице рибосомы; Â — этап транслокации (перемещения рибосомы вдоль мРНК на˝ один кодон в направлении к 3′-концу)

Третий этап процесса элонгации полипептидной цепи получ˝ил название транслокации. Этот этап катализирует белковый фактор

ЕF2 в комплексе с ГТФ, под действием которого рибосома перем˝е-

щается вдоль молекулы мРНК в направлении от 5′-конца к 3′-кон- цу на три нуклеотидных остатка, включая в сферу реакции пр˝и-

соединения аминоацил-тРНК следующий кодон. В ходе этой ре-

акции, которая сопровождается гидролизом ГТФ, происходит˝ высвобождение белкового фактора ЕF2 и выход из рибосомы тРНКi, а синтезированный дипептид остается связанным с тРНК2, присоединенной водородными связями к своему кодону в составе мРНК.

После этого уже к третьему кодону может присоединиться со˝- ответствующая тРНК, связанная со своим аминокислотным ос˝татком, который соединяется новой пептидной связью с синтези˝рованным дипептидом. Затем повторяется акт транслокации, и рибосома снова перемещается на один кодон, к которому может˝ уже присоединиться с помощью тРНК следующий аминокислот˝- ный остаток и т. д., пока не будет синтезирована полностью п˝о-

липептидная цепь, закодированная в виде последовательно˝сти

кодонов в структуре мРНК. При этом последовательность сое˝ди-

нения аминокислотных остатков в синтезированной полипептидной цепи будет определяться последовательностью кодоно˝в в

ìÐÍÊ.

515

По мере продвижения рибосомы вдоль молекулы мРНК в ходе синтеза полипептидной цепи происходит высвобождение ее˝ кон-

ца, содержащего инициаторный кодон. И на нем начинается об˝-

разование нового инициаторного комплекса и активной риб˝осомы, которая будет осуществлять синтез новой полипептидно˝й цепи на одной и той же мРНК-матрице. В результате одновреме˝н-

ного взаимодействия с одной и той же молекулой мРНК неско˝ль-

ких рибосом образуется полирибосома. В зависимости от линейных размеров мРНК полирибосома может включать от трех—

пяти до нескольких десятков рибосом. За счет образования ˝поли-

рибосом значительно повышается эффективность использов˝ания клеткой мРНК, так как на одной молекуле мРНК с помощью

присоединенных к ней рибосом одновременно может синтези˝ро-

ваться несколько полипептидных цепей (по числу рибосом в˝ полирибосоме).

Синтез полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока н˝а

пути движения рибосомы по мРНК не встретится терминирующий кодон. Как было указано ранее (см. табл. 12.2), имеются три

терминирующих кодона — УАГ, УГА и УАА. Они не кодируют

аминокислотные остатки, но служат сигналами для прекраще˝ния синтеза полипептидной цепи. Эти кодоны способны узнавать˝ спе-

цифические белки, называемые факторами терминации: у бакте-

рий существует два таких белковых фактора — RF1 и RF2, у высших организмов — один (RF — по-английски release factor).

Когда терминирующий кодон оказывается в составе рибосом˝ы,

с ним связывается белковый фактор терминации (рис. 12.13), который катализирует гидролитическое расщепление сложноэ˝фир-

ной связи, соединяющей синтезированную полипептидную це˝пь с последней тРНК, комплементарно связанной своим антикодо˝- ном с соответствующим кодоном мРНК. В результате гидролиз˝а этой связи синтезированный полипептид отделяется от риб˝осомы, а освобожденный от полипептидной цепи рибосомный ком-˝ плекс диссоциирует с образованием свободных субъединиц˝ рибосомы, мРНК, свободных белковых факторов терминации и оставшейся последней молекулы тРНК, от которой была отдел˝е- на синтезированная полипептидная цепь. В дальнейшем они м˝о- гут снова принять участие в синтезе новой молекулы белков˝ого полипептида.

После отделения от рибосомы синтезированной полипептид˝-

ной цепи она приобретает свойственную ей пространственн˝ую

структуру в соответствии с последовательностью соедине˝ния в ней

аминокислотных остатков. Образовавшиеся в процессе тран˝сляции полипептиды под действием соответствующих ферменто˝в

подвергаются посттрансляционному процессингу, в ходе ко˝торого

516

Рис. 12.13. Терминация синтеза полипептидной цепи:

À — связывание белкового фактора терминации синтеза пол˝ипептидной цепи (RF) с терминирующим кодоном и высвобождение синтезированной полипеп˝тидной цепи;Á — диссоциация рибосомы на субъединицы и высвобождение мРНК и последней˝ тРНК:

1 — синтезированная полипептидная цепь; 2 — малая субъединица рибосомы; 3 — большая субъединица рибосомы

они превращаются в функционально активные белки, имеющие˝ характерную для них нативную конформацию молекул.

В результате процессинга от белковых полипептидов специ˝фи- ческими протеазами могут отщепляться концевые фрагмент˝ы их

полипептидных цепей. Возможна также модификация аминоки˝с-

лотных радикалов (например, превращение остатков пролина˝ в остатки оксипролина), образование дисульфидных связей, ф˝осфорилирование остатков серина или тирозина и др. В связи с тем что процесс трансляции осуществляет довольно сложный по˝ структуре нуклеопротеидный комплекс, скорость синтеза п˝оли-

пептидной цепи существенно ниже, чем скорость образовани˝я

молекул нуклеиновых кислот. В клетках бактерий с участием˝ функционально активных рибосом за 1 мин может синтезиров˝ать-

ся полипептидная цепь, включающая 300—400 аминокислотных

517

остатков, а у растений и животных — полипептид, содержащи˝й 30—50 радикалов аминокислот.

Таким образом, в ходе синтеза белков осуществляется перен˝ос генетической информации, закодированной в виде последов˝а-

тельности кодонов в ДНК, на структуру белков, с помощью кот˝о- рых в клетке осуществляются все биохимические процессы. Про-

цесс передачи генетической информации от ДНК на белки мож˝но представить в виде следующей схемы:

Âпроцессе синтеза мРНК на ДНК-матрице последовательность дезоксирибонуклеотидных остатков ДНК переводится˝ в

последовательность рибонуклеотидных остатков мРНК. Пос˝ле

осуществления процессинга и сплайсинга функционально а˝ктив-

ные молекулы мРНК связываются с рибосомами и используютс˝я в

качестве биологических матриц для синтеза полипептидов˝. Выстраивание на мРНК-матрице аминокислотных остатков происх˝о-

дит с помощью тРНК, которые, присоединив аминокислотный

остаток к ЦЦА-концу, переносят его в рибосому на основе ком˝п-

лементарного присоединения своего антикодона к соответ˝ствую-

щему кодону мРНК. В результате синтеза пептидных связей н˝а мРНК-матрице образуется полипептидная цепь, в которой пос˝ле-

довательность соединения аминокислотных остатков опред˝еляет-

ся последовательностью кодонов в мРНК.

Âэтом процессе чрезвычайна важна роль тРНК. Именно с помощью своего антикодона каждая тРНК, соединяясь комплеме˝н- тарно с кодоном, определяет место аминокислотному остатк˝у в синтезирующейся полипептидной цепи. Учитывая, что в молек˝у-

лах ДНК и мРНК существует 61 значащий кодон, можно было бы

ожидать и наличие такого же числа тРНК, имеющих соответст˝вующие кодонам антикодоны. Однако обычно клетки организмов˝ в процессе синтеза белков используют меньший набор тРНК. Эт˝о связано с тем, что при спаривании в ходе синтеза полипепти˝дов

кодонов с антикодонами допускаются определенные отклон˝ения

от принципа комплементарности, которые характерны для по˝следних нуклеотидных остатков на 3′-конце кодона и 5′-конце анти-

кодона.

Первые два нуклеотидных остатка в кодоне и антикодоне спа˝- риваются без отклонений от принципа комплементарности. Т˝ретий же нуклеотидный остаток в антикодоне, оканчивающийся˝

518

на Г, может при взаимодействии с кодоном соединяться с У

или Ц. Если третий нуклеотидный остаток на 5′-конце антикодо-

на представлен Ц или А, то он спаривается комплементарно с˝ со-

ответствующим нуклеотидным остатком кодона. Однако если тре-

тий нуклеотидный остаток в антикодоне представлен У, то о˝н может спариваться с А или Г соответствующего кодона.

Исходя из таких особенностей спаривания кодонов и антико˝-

донов, видно, что в отдельных случаях один антикодон может˝ спариваться с двумя кодонами, которые отличаются нуклеотидн˝ыми остатками на 3′-конце, в связи с чем общее число антикодонов, используемых в синтезе полипептидов, может быть меньше су˝ществующего числа кодонов. Так, например, в клетках растений дл˝я осуществления трансляции используются 37 типов тРНК.

Следует отметить, что процесс переноса генетической инфо˝р- мации от ДНК или РНК на белки необратим. Для того чтобы реа-˝ лизовать обратный процесс, потребовалось бы иметь не мене˝е сложную биологическую систему, чем система синтеза белко˝в. Однако такой системы в организмах не существует. Поэтому ˝обратный перенос информации от белков к РНК и ДНК никогда не˝ наблюдался в живых организмах и, по-видимому, невозможен.

На синтез белков затрачивается очень большое количество˝ энергии, которое доставляется в виде АТФ и ГТФ. При активир˝о-

вании каждой аминокислоты затрачивается одна молекула А˝ТФ, которая подвергается гидролизу до АМФ и Н4Ð2Î7, затем на стадии инициации синтеза полипептидной цепи в процессе обра˝зования способной к синтезу белка рибосомы затрачивается э˝нергия гидролиза ГТФ до ГДФ и Н3ÐÎ4. В ходе элонгации полипептидной цепи при каждом акте включения в рибосому амино- ацил-тРНК и каждой транслокации также затрачивается энер˝гия, высвобождающаяся при гидролизе ГТФ. Как было показано ра-˝ нее, значительное количество энергии требуется для синте˝за мРНК.

Подтверждением правильности представленных ранее молек˝у-

лярных механизмов трансляции является создание искусст˝венных бесклеточных систем синтеза белков. Так, например, для син˝теза растительных белков в системе in vitro очень часто используют бесклеточный ферментный экстракт из зародышей пшеницы, с˝о- держащий молекулы тРНК и ферменты синтеза белков, к котор˝о- му добавляют аминокислоты, АТФ, ГТФ, очищенные растительные рибосомы и функционально активные мРНК. В указанной бесклеточной системе синтезируются белки, первичная стр˝уктура которых закодирована в молекулах мРНК. Если в бесклеточну˝ю

систему синтеза белка добавляют мРНК из созревающих зерн˝овок

519

кукурузы, синтезируется запасной белок зерна кукурузы зе˝ин, а если добавляют мРНК из созревающих семян гороха, образует˝ся легумин гороха. Соответственно с участием мРНК созревающих зерновок ячменя синтезируется гордеин.

В цитоплазме растительных клеток синтез белков осуществ˝ляют цитоплазматические 80S-рибосомы, в хлоропластах и мито-

хондриях — рибосомы этих внутриклеточных органелл.

Перенос информации от РНК к РНК. У большинства растительных вирусов и некоторых вирусов животных основным наслед˝-

ственным материалом служит не ДНК, а молекулы РНК. При раз-

множении этих вирусов осуществляется репликация молеку˝л РНК, в ходе которой на родительской цепи РНК на основе комп˝-

лементарного синтеза образуется полинуклеотидная цепь ˝дочер-

ней РНК с последовательностью нуклеотидных остатков, ком˝плементарной родительской РНК. Синтез молекул РНК на РНК-мат˝-

рице катализирует фермент, называемый РНК-зависимой ÐÍÊ-ïî- лимеразой èëè РНК-репликазой. Для РНК-зависимого синтеза РНК в качестве субстратов используются молекулы рибонуклео˝зидтри-

фосфатов.

Перенос информации от РНК к ДНК. Такой перенос информации наблюдается в животных клетках, инфицированных некот˝о-

рыми вирусами. Наиболее хорошо изучен механизм синтеза ДН˝К

на РНК-матрицах у ретровирусов, содержащих в качестве ген˝ети-

ческого материала одноцепочечные молекулы РНК.

Попадая в клетку животного, инфекционные частицы ретрови˝-

руса с помощью содержащегося в них фермента обратной транскриптазы синтезируют ДНК-копию на РНК-матрице, а на вновь синтезированной цепи ДНК катализируют образование комп˝ле-

ментарной цепи ДНК, которая при взаимодействии с родитель˝- ской цепью формирует двойную спираль ДНК, содержащую та-

кую же генетическую информацию, как одноцепочечные молек˝у-

лы РНК ретровируса.

Затем двойная спираль ДНК-копии ретровируса внедряется в˝

ядерную ДНК животной клетки и вместе с ней подвергается р˝еп-

ликации, передавая из поколения в поколение генетическую˝ информацию РНК ретровирусных частиц. В ходе транскрипции

ядерной ДНК, содержащей ДНК-копии ретровируса, синтезиру-˝

ются мРНК ретровирусных белков, а также новые одноцепочеч˝- ные молекулы РНК генома ретровируса, которые, формируя бе˝л- ковую оболочку, превращаются в инфекционные частицы ретр˝о- вируса.

Очищенные препараты обратной транскриптазы вирусных ча˝с- тиц находят применение в экспериментах по синтезу генов, ˝в которых в качестве матрицы для образования ДНК служат молекулы

520