voronina

Тривимірна структура тРНК нагадує перевернуту латинську лі- теру L (або російську – Г) (рис.78, б).

Таким чином тРНК з’єднує в єдине ціле мРНК, рибосому, спе- цифічну амінокислоту.

Приєднання активованої амінокислоти до специфічної тРНК відбувається шляхом утворення складноефірного зв'язку між СООН- групою відповідної амінокислоти і 3′-ОН групою кінцевого залишку аденілової кислоти тРНК:

Надалі аміноацил-тРНК (аа-тРНК) позначатимемо, враховуючи відповідний антикодон, наприклад:

381

Реакцію каталізує той же фермент, що й реакцію активації амі- нокислот – аміноацил-тРНК-синтетаза. АРСази на сьогодні добре вивчені, більшість із них одержані в кристалічному вигляді. Части- на з них побудована з одного поліпептидного ланцюга (валінова, лейцинова, ізолейцинова), інші складаються із двох, чотирьох і бі- льше однакових субодиниць (наприклад, серинова побудована із двох субодиниць, а метіонінова – з чотирьох), а деякі містять різні за структурою субодиниці. Наприклад, гліцинова АРСаза склада- ється з чотирьох субодиниць, дві з яких мають молекулярну масу 33000, а дві інші – 80000. АРСазам властива висока специфічність стосовно утворення відповідних аміноацил-тРНК. У молекулі за- значеного ферменту є дві специфічні ділянки (активні центри), за- вдяки яким він «впізнає» «свою» амінокислоту і «свою» тРНК. Схематично це можна зобразити так (рис. 79):

Рис. 79. Активні центри в молекулі АРСази

Процес «впізнавання» і приєднання АРСазами амінокислоти й тРНК називають рекогніцією. Для кожної з 20 амінокислот, які входять до складу білка, є своя, причому єдина аміноацил-тРНК-синтетаза, яка «впізнає» усі тРНК, що специфічні для даної амінокислоти. Такий конт- роль дозволяє зменшити кількість мутацій. Можливість мутації неве- лика (1:10000). Академік В.О. Енгельгардт дав таким ферментам назву кодаз, підкреслюючи їх роль у реалізації генетичного коду.

2. Процес трансляції на рибосомах.

Процес перекладу нуклеотидної послідовності мРНК на аміно- кислотну одержав назву трансляції. Трансляція складається із трьох етапів: ініціації (початок синтезу поліпептидного ланцюга), елонга- ції (його подовження) і термінації (завершення синтезу).

а) Ініціація трансляції

Ініціація – це одна з найважливіших і найскладніших стадій про- цесу трансляції.

Якщо рибосома не сполучається з мРНК, вона дисоціює на суб- частинки (в еукаріотів – 40S і 60S, у прокаріотів – 30S і 50S ). Ініці- ацію детальніше вивчено в прокаріотів на прикладі кишкової па- лички, проте є риси тотожності й з еукаріотами. Для ініціації син- тезу білка, крім рибосом і різноманітих РНК, необхідні також так звані фактори ініціації IF-1, IF-2 та IF-3 (білкові сполуки), солі ма- гнію, ГТФ та ініціаторна амінокислота, сполучена з відповідною тРНК. Ініціаторною амінокислотою в прокаріотів є N-формілме- тіонін, а в еукаріотів – метіонін. Для того, щоб біосинтез поліпеп- тидного ланцюга почався в напрямку αNH2 → COOH, αNH2-група

382

першої амінокислоти метіоніну в прокаріотів захищається формі-

АУГ (іноді ГУГ). Якщо цей кодон знаходиться всередині ланцюга мРНК, тоді він кодує лише вільний метіонін. У клітині прокаріотів є дві метіонінові тРНК. Одна з них – тРНКмет акцептує залишки ме- тіоніну і вбудовує їх у поліпептидні ланцюги. Інша – тРНКфмет необ- хідна для ініціації синтезу білків. Ці обидві тРНК приєднують спо- чатку амінокислоту метіонін, утворюючи метіоніл-тРНК. У випад- ку приєднання метіоніну до ініціаторної транспортної РНК, а саме тРНКфмет, він зазнає реакції трансформілювання за участю фермен- ту трансформілази, яка переносить формільну групу від донора N- формілтетрагідрофолату (вітаміну фолієвої кислоти або Вс, В9, див. Вітаміни) до аміногрупи метіонінового залишку:

Блокування аміногрупи метіоніну формільним залишком до- зволяє цій амінокислоті першою розпочати утворення поліпептид- ного ланцюга.

Перед початком ініціації рибосома дисоціює. Ініціація відбува- ється таким чином:

1.На першому етапі 30S-субодиниця зв'язує фактор ініціації IF-3

іприєднується до 5′-кінця мРНК за участю фактора IF-1.

2. Потім утворений комплекс сполучається з фактором ініці- ації IF-2, з'єднаним із ГТФ і з ініціюючою N-формілметіоніл-

383

тРНКфмет, яка прикріплюється своїм антикодоном до ініціюючого кодону (АУГ) мРНК:

3. На третьому етапі ініціації відбувається взаємодія цього ком- плексу з 50S-субодиницею рибосоми; одночасно молекула ГТФ, зв'я- зана з IF-2, гідролізується до ГДФ і H3PO4, які, як і фактори ініціації, вивільняються з комплексу. Унаслідок цього утворюється функціональ- но активна70S-рибосома, яканазиваєтьсяініціюючимкомплексом.

Правильне розташування тРНКфмет у повністю зібраному ініціюючому комплексі забезпечується двома точками впізна- вання і зв'язування. По-перше, антикодон ініціюючої тРНКфмет утворює комплементарну пару з кодоном АУГ на мРНК. По- друге, тРНКфмет приєднується до пептидильної ділянки рибосо- ми. На рибосомі, як уже зазначалося вище, є дві ділянки для приєднання аміноацил-тРНК: А-ділянка і П-ділянка. Обидві во- ни утворені завдяки специфічній будові зон 30S і 50S субчасти- нок. Ініціююча тРНКфмет може сполучатися тільки з П-ділянкою, однак це є винятком, оскільки всі інші аміноацил-тРНК, які над- ходять до рибосом, сполучаються з А-ділянкою. П-ділянка при-

384

значена для виходу «порожніх» (тобто звільнених від амінокис- лот) тРНК і в ній закріплюється пептидил-тРНК (тобто тРНК із поліпептидним ланцюгом), яка подовжується.

В еукаріотів ініціюючою (першою) також вважається метіоніл- тРНК, проте, на відміну від такої у прокаріотів, вона не формілюєть- ся, а реагує з факторами ініціації eIF-1, eIF-2, eIF-3, із 40S- субодиницею рибосом і з мРНК. Реакції відбуваються за тією ж схе- мою, що й у прокаріотів. У мітохондріях і хлоропластах синтез полі- пептидного ланцюга також має риси подібності до синтезу в прока- ріотів: ініціація здійснюється за допомогою тРНКфмет.

б) Стадія елонгації процесу трансляції.

При завершенні стадії ініціації в П-ділянці знаходиться ініцію- юча тРНКфмет. При цьому А-ділянка вільна, але в ній уже розташо- вується наступний кодон мРНК. На першому етапі елонгації відбу- вається надходження другої амінокислоти, наприклад, тРНКфен до А-ділянки рибосоми і комплементарне її сполучення з кодоном мРНК (УУУ). У цьому процесі беруть участь фактори елонгації та ГТФ. На другому етапі елонгації утворюється пептидний зв'язок в А-ділянці, де знаходиться друга аміноацил-тРНКфен. В А-ділянку з П-ділянки пересувається залишок N-формілметіоніну від тРНКфмет, яка його переносить на аміногрупу фенілаланіл-тРНКфен, і утво- рюється перший пептидний зв'язок. У цьому процесі бере участь фермент пептидилтрансфераза. При цьому утворюється дипеп- тидил-тРНКфен (N-формілметіоніл-фенілаланіл-тРНКфен). Далі (тре- тій етап) відбувається процес транслокації – переміщення рибо- соми на один кодон відносно мРНК і дипептидил-тРНКфен. Вна- слідок цього переміщення дипептидил-тРНКфен потрапляє в зону пептидильного центру рибосоми, проте залишається сполученою з другим кодоном мРНК (УУУ), а тРНКфмет без N-формілме- тіоніну виштовхується з рибосоми. При транслокації бере участь позарибосомний білок – фактор елонгації – G, який називається транслоказою. Наступне подовження поліпептидного ланцюга відбувається повторенням цих етапів: приєднується до А-ділянки третя амінокислота, наприклад, аланін у вигляді аланіл-тРНКала, відповідно до третього кодону (ГЦУ) на мРНК. Потім дипепти- дильний залишок із тРНКфен переноситься на амінокислоту, спо- лучену з тРНКала, тобто утворюється другий пептидний зв'язок і трипептид N-формілметіоніл-фенілаланіл-аланіл-тРНКала. Цикл елонгації повторюється багаторазово, тобто стільки, скільки амі- нокислот входить до складу поліпептидного ланцюга. Швидкість елонгації велика: синтез поліпептиду з 150–200 амінокислот три- ває близько 1–3 хв. Залишок першої амінокислоти N-форміл- метіонін, або формільна група, або пептид, що містить N-форміл- метіонін і знаходиться з N-кінця ланцюга, який подовжується, відщеплюються за участю специфічних ферментів ще під час ело- нгації (проте у деяких білків зберігаються).

385

в) Стадія термінації

Елонгація завершується тоді, коли в А-ділянці з'являється один із трьох термінуючих триплетів: УАГ, УГА, УАА. Наявність їх у будь-якій ділянці мРНК обриває білковий синтез. У зоні цих трипле- тів за участю факторів термінації відбувається гідролітичне розщеп- лення зв'язку між поліпептидом і останньою тРНК. Вивільняється синтезований білок, який залишає рибосому. При цьому рибосома дисоціює на субодиниці. Термінацію синтезу білка в еукаріотів зумо- влюють ті ж триплети.

На включення в поліпептид кожної амінокислоти витрачається енергія 4 високоенергетичних зв'язків (для утворення аа-тРНК не- обхідна енергія 2-х високоенергетичних зв'язків АТФ, і гідроліз 2-х молекул ГТФ забезпечує сполучення аа-тРНК із кодоном і трансло- кацію). При утворенні ініціюючого комплексу рибосома приєдну- ється до 5′-кінця мРНК, а в ході трансляції пересувається в напрям- ку 3′-кінця. Як тільки вивільняється 5′-кінець, до мРНК приєдну- ються нові рибосоми, на яких також починається біосинтез поліпе- птидів. На молекулі мРНК може розташовуватися від 3 до 80–100 рибосом, утворюючи полірибосоми. Чим довша молекула мРНК, тим довший поліпептидний ланцюг закодованого білка, і тим бі- льша кількість рибосом у полірибосомі. Деякі мРНК містять інфо- рмацію про декілька білків – поліцистронні мРНК. Кожен із білків закодований в окремій ділянці мРНК – цистроні, який має свої іні- ціаторні й термінуючі триплети.

Рис.80. Схема трансляції в прокаріотів

386

Утворення пептидного зв'язку (рис.80) здійснюється в такій по- слідовності:

–у присутності ферменту розривається макроергічний зв'язок на N-формілметіоніл-тРНКфмет;

–до звільненого зв'язку приєднується Н від α-NH2-групи феніла- ланіл-тРНКфен;

–карбонільний залишок N-формілметіоніну переходить до α- NH2-фенілаланіл-тРНКфен – виникає перший пептидний зв'язок з утворенням в А-ділянці дипептиду – N-формілметіоніл-феніл- аланіл-тРНКфен;

–у процесі транслокації мРНК пересувається на один кодон;

–тРНКфмет без ініціюючої амінокислоти залишає рибосому. В А-ді- лянку, яка звільнилася, надходить тРНКала, виникає другий пептид- ний зв'язок і утворюється трипептид складу N-формілметіоніл- фенілаланіл-аланіл-тРНКала, який пересувається далі у П-ділянку, А-ді- лянка ж звільняється і процес повторюється;

–рибосома досягає термінуючого триплету УГА й дисоціює на 30S- і 50S-субчастинки, при цьому відокремлюється поліпептидний ланцюг із заданим розташуванням залишків амінокислот.

Вторинна й третинна структури білків формуються в процесі трансляції в міру подовження поліпептидного ланцюга. Триви- мірної конформації білок остаточно набуває вже після свого ві- докремлення.

3. Посттрансляційні зміни білків.

Результатом процесу трансляції не завжди є утворення функціо- нально активного білка. У багатьох випадках необхідні наступні трансформації (перетворення). Так, інсулін утворюється зі свого по- передника проінсуліну шляхом обмеженого протеолізу з відщеплен- ням від нього пептиду за участю ферментів-протеїназ у цитоплазмі клітини. Велика кількість неактивних проферментів (пепсиноген, трипсиноген та ін.) також активуються, перетворюючись в активні ферменти шляхом часткового протеолізу. Асоціація протомерів з утворенням четвертинної структури відбувається вже після закін- чення синтезу поліпептидів.

Інгібітори біосинтезу білків. Механізм дії антибіотиків

Припинення матричного біосинтезу білків призводить до заги- белі клітини.

Інгібіторами біосинтезу білків можуть бути різноманітні речо- вини, у тому числі антибіотики, токсини, алкалоїди, антиметаболіти (аналоги) структурних одиниць нуклеїнових кислот та ін. Вони ши- роко використовуються в біохімічних дослідженнях як інструменти для розкриття механізму окремих етапів біосинтезу білків, оскільки виявилося, що серед них можна підібрати такі, котрі вибірково га- льмують специфічні фази білкового синтезу.

387

Антибіотики – речовини, які синтезуються мікроорганізмами, пліснявою, грибами, вищими рослинами, тканинами тварин в процесі їх життєдіяльності, а також одержані синтетичним шля- хом. Їм властива бактеріостатична або бактерицидна дія. Антибі- отики, які взаємодіють із ДНК, порушують її матричні функції та пригнічують реплікацію або транскрипцію, або обидва ці процеси. Протипухлинні антибіотики практично однаково взаємодіють із ДНК як пухлинних, так і нормальних клітин, оскільки вони не від- різняються вибірковістю дії.

Антибіотики, які пригнічують процес трансляції, взаємодіючи з білковими факторами і рибосомами, використовуються голо- вним чином як протибактеріальні засоби. Вони відрізняються до- сить високою вибірковістю дії і часто порівняно малотоксичні для організму людини. Це пояснюється тим, що в мікроорганізмів рибосоми (70S), окремі ферменти й білкові фактори у складі ри- босоми дещо відрізняються від рибосом 80S і відповідних білків еукаріотів. Проте деякі з них можуть впливати на рибосоми міто- хондрій людини, оскільки ці рибосоми мають менший розмір, ніж 80S рибосоми в цитоплазмі, тому мітохондріальний біосинтез бі- лка за своїм механізмом близький до синтезу білка в прокаріотів (див. Біосинтез білка). Відзначено також певний вплив окремих антибіотиків і на 80S рибосоми. Саме тому з описаних багатьох сотень антибіотиків лише декілька десятків знайшли застосування в медичній практиці. Отже, успіхи антибіотикотерапії залежать від умілого, раціонального їх використання. Необхідно враховува- ти можливість ускладнень і алергічних реакцій. У зв’язку з цим неприпустиме самолікування антибіотиками без призначення лі- каря та безрецептурний їх відпуск.

Усі інгібітори матричного біосинтезу білка розподіляють за ме- ханізмом дії на: інгібітори реплікації, транскрипції, дозрівання (про- цесингу) і транспорту РНК, трансляції та ін. (див. табл. 14).

Препарати, що посилюють біосинтез білка

У медичній практиці використовуються лікарські речовини, які здатні стимулювати білковий синтез в організмі, так звані анаболічні засоби. Це велика кількість гормональних препаратів, механізм дії яких розглянуто в главах «Гормони», «Перенос гене- тичної інформації і біосинтез білка в клітинах», а також сполуки негормонального походження. Так, анаболічні стероїди – синте- тичні похідні чоловічих статевих гормонів, близькі за структурою до андрогенів (неробол, ретаболіл, феноболін, силаболін та ін.) виявляють вибіркову анаболічну активність поряд з маловираже- ною андрогенною дією. Виражену анаболічну активність виявляє гормон інсулін.

388

Таблиця 14

389

2. Алкалоїди

390