— интроны. Их вырезание с воссоединением концов соседних экзонов в единую цепь является важным этапом созревания эукариотических РНК.

Наконец, многие РНК, в первую очередь тРНК, подвергаются многочисленным химическим модификациям, приводящим к образованию в составе зрелой молекулы широкого спектра так называемых минорных компонентов. Некоторые примеры приведены в § 2.3. В этих превращениях участвуют различные специализированные ферменты, причем не все из них достаточно охарактеризованы. Наиболее обстоятельно исследованы ферменты, катализирующие различные реакции метилирования. Каждый из них катализирует перенос метальной группы от S-аденозилметионина на определенный атом гетероцикла или 2 '-гидрокси-группу остатка рибозы, причем модификации подвергаются не все однотипные Участки, а лишь некоторые, вполне определенные. Как видно из структуры дрожжевой тРНК, специфичной к фенилаланину, (см. рис. 28), 5-метильная группа присутствует в остатках цитозина, находящихся в положениях 40 и 49, а все Стальные цитозины неметилированы. Это означает, что соответствующий фермент — тРНК (цитозин-5)-метилтрансфераэа — специфично направляет ме-тильную группу именно на эти остатки тРНК, т. е. обладает специфичностью как к определенному положению в гетероцикле, так и к определенным положениям в Молекуле тРНК. В превращениях остатков гуанозина в положении 10 в №-метил-

гуанозин, в положении 34 в антикодоне в 2'-О-метилгуанозин и в положении 46 в Н7-метилгуанозин участвуют разные ферменты, соответственно тРНК [гуанин-ёу метилтрансфераза, тРНК (1уаноэин-2')-метпилтпрансфераза и тпРНК (гуапин-Т)-метилтпрансфераза. Транскрипция является точкой приложения действия ряда биологически активных веществ, в том числе антибиотиков и токсинов. Например, как уже указывалось в § 2.5, антибиотик рифампицин специфично блокирует действие прокариотических РНК-полимераз, связываясь с /?-субъединицей и препятствуя этим образованию первых фосфодиэфирных связей. Токсин бледной поганки ?-аманитин (см. § 2.5) блокирует РНК-полимеразу II эукариот, в результате чего прекращается синтез новых молекул мРНК и, вслед за этим, производство многих жизненно важных белков.

5.6. БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ (ТРАНСЛЯЦИЯ)

Реакция образования новых пептидных связей на рибосомах на стадии элонгации представляет собой перенос растущей пептидной цепи длиной г звеньев, связанной сложноэфирной связью с одной из гидроксигрупп 3 '-концевого нуклеотида тРНК, специфичной к г-й аминокислоте, на ?-аминогруппу (г + 1)-й аминокислоты, связанной со специфичной к ней тРНК

NHJCHl1C0...NHCHR1C04)--tRNA + NH+3CHR1+1C0-0-tRNA< !tl> —>

—»NH;CHRiC0...NHCHRIC0-NHCHR1+1C04]-tRNA<'+i) + HO—tRNA < *> (V.7)

Следовательно, полипептидная цепь при биосинтезе белков растет в направлении от ?-конца к С-концу, а фермент, вмонтированный в рибосому и катализирующий это химическое превращение, является пептпидил трансферазой. Образование полипептидов из аминоацил-тРНК представляет собой превращение сложных эфиров в амиды, которое термодинамически разрешено, т. е. для этого процесса AG < 0. Энергия Гиббса, необходимая для превращения аминокислот в пептиды, сообщается аминокислоте вне рибосомы на стадии аминоацилирования тРНК, сопряженного с гидролизом АТФ до АМФ и пирофосфата и катализируемого соответствующими аминоацил^гРНК-синтетазами (см. § 4.6).

Отбор аминокислоты, соответствующей 'кодону, осуществляется в результате взаимодействия кодона мРНК с антикодоном тРНК — тринуклеотидным фрагментом, расположенным в антикодоновой петле тРНК (см. § 3.4 и рис. 28 и 29). Сам аминоацильный остаток в этом отборе не участвует. Уже в первые годы после открытия транспортных РНК было показано, что превращение остатка цистеина,

Cys

связанного со специфичной к нему тРНК, tRNA , в аланин путем обработки никелем Ренея:

NHjCH(CH2SH)C04]-tRNACyS(Cys-tRNACys) + Ni —>

-+ NH+CH(CH3) CO-0-tRNACys(Ala-tl№IACys) + NiS (V.8)

приводит к тому, что в участки растущей на рибосомах полипептидной цепи, которые соответствуют кодонам цистеина, встраивается аланин. Поэтому надежность трансляции в огромной степени определяется надежностью работы амино-ацил^гРНК-синтетаз, так как именно они опознают одновременно и одну определенную аминокислоту, и одну или несколько соответствующих этой аминокислоте транспортных РНК и катализируют их соединение и таким путем снабжают

1ЙЯ

аминоацильный остаток структурным элементом, необходимым для ее отбора информационной РНК, — антикодоном.

В простейших случаях взаимодействие кодона с антикодоном происходит путем образования трех канонических пар гетероциклов. Например, специфичные к метионину тРНК имеют антикодон CpApU, комплементарный метиониновому кодону ApUpG (AUG, см. табл. 5.1). Антикодон, специфичный к фенилаланину, имеет структуру GmpApA (символ m справа от G означает метилирование 2 -окси-группы), комплементарную фенилаланиновому кодону UpUpC. Однако в большом числе случаев соответствие между третьим нуклеотидом кодона и первым нуклео-тидом антикодона имеет более сложный характер. Например, одна и та же фени-лаланиновая тРНК опознается обоими кодонами — и полностью комплементарным UpUpC и не полностью комплементарным UpUpU. Некоторые тРНК, специфичные к аминокислотам, кодируемым тремя и более кодонами, содержат в первом положении антикодона инозин. Такие тРНК могут взаимодействовать сразу с тремя кодонами, имеющими в третьем положении уридин, цитидин или адено-зин. Например, специфичная к ваЛину тРНК из дрожжей имеет антикодон IpApC (I — инозин) и взаимодействует с кодонами GpUpU, GpUpC и GpUpA. Структуры соответствующих пар гетероциклов приведены ниже:

°л н · н

\ /О—?-? ?-'-?^-?

ЙЯ4 ЯЬф?

95а 95? 951

Возможность отклонения от канонической структуры связана с тем, что эти взаимодействия происходят на конце двуспирального фрагмента. Поэтому возможно некоторое увеличение расстояния между гликозидными атомами С, взаимодействующих гетероциклов, как это имеет место при образовании пары ?·? (95 в), или некоторый разворот гетероцикла, как это имеет место в паре I-U (95 а). В английском языке такое отклонение от канонической структуры пар гетероциклов называют словом wobble — качание. Поэтому саму концепцию кодон-антикодовых взаимодействий, учитывающую указанные отклонения, иногда называют воббл-гипотезой. В результате таких взаимодействий некоторые тРНК опознаются не одним, а несколькими кодонами, поэтому число тРНК, необходимых для трансляции, существенно меньше, чем число кодонов. В то же время оно больше, чем число аминокислот. Например, для опознавания валинового кодона GpUpG необходима специальная тРНК, имеющая антикодон СрАрС. Разные тРНК, присоединяющие (акцептирующие) одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными. Как правило, все изоакцедторные тРНК аминоацилируются с помощью одной аминоацил-тРНК-синтетазы.

Инициация синтеза полипептидной цепи представляет собой реакцию между Двумя аминоацил-тРНК, несущими остатки, соответствующие первой и второй ачинокислоте создаваемого белка. При этом первой аминокислотой, как правило, является метионин. В тех преобладающих случаях, когда ?-концевая аминокис-л°та зрелого белка отличается от метионина, последний удаляется в ходе процес-синга синтезируемого полипептида. При этом в стадии инициации участвует СПеЦиальная метиониновая тРНК, которая называется инициаторной и обозна

чается tRNA*fet. Наряду с ней у всех живых организмов существует другая специфичная к метионину тРНК, элонгаторная tRNA^et. У прокариот метионив связанный с инициаторной тРНК, формилируется по ?-аминогруппе по реакции Met - tRNA*fet + N10 - СНО - THF -¦ СНО - Met - tRNA*f et + THF (V.9)

катализируемой метионил-тРНК формилтрансфераэой (ТНГ^гетрагидрофолат, см. § 4.2). Реакцию инициации синтеза полипептидной цепи можно записать в виде:

Z-CHCO-0-tRNA?et + NHtcHR5CO-0-tRNAm —>

CHjCHpSCH^

—- Z-CHCO-NHCHR^O-O-tRNA^'+tRNA?*1

CHjCHjSCHj

(? = NH*— или СНО—NH—).

Терминация, как уже говорилось в § 5.2, происходит на специальных кодонах-терминаторах UpApA, UpApG и UpGpA. Когда в участок, на котором на рибосоме проходит отбор мономера, попадает такой кодон, связывания какой-либо амино-ацил-^гРНК не происходит и синтез полипептидной цепи прекращается. При этом проходит гидролиз сложноэфирной связи, соединяющей синтезированный полипептид с тРНК, т. е. освобождение полипептида.

Каждая молекула информационной РНК (мРНК) помимо полирибонуклеотид-ной последовательности, программирующей некоторую последовательность аминокислот, содержит дополнительные нетранслируемые области как с 3 '-, так и с 5 '-конца. У прокариотических мРНК непосредственно перед инициаторным колоном находится специальная олигопуриновая последовательность из шести нуклеотидов, комплементарная 3 '-концевому фрагменту рибосомной РНК малой субъединицы (последовательность Шайна — Дельгарно). Образование комплекса между этими олигорибонуклеотидными фрагментами играет важную роль в обеспечении фиксации инициаторного кодона в декодирующем участке активного центра рибосомы. У многих эукариотических мРНК на 5 '-конце имеется специфическая структура, называемая кэпом (от англ. cap — шапочка). Типичная структура кэпа имеет вид сц3

о>

/r-i

?—?

,_, w

он он

"° V fV^NH о- к_? w

о осн, v..

96

1 пп

f[a 3 '-конце многих эукариотических мРНК имеется довольно протяженный фрагмент, состоящий только из остатков адени-ловой кислоты. Этот поли (А)-фрагмент не входит в состав первичного транскрипта, т. е. не запрограммирован непосредственно в гене, а присоединяется с помощью специального фермента — полинуклеотид адетлилтрансферазы (КФ 2.7.7.19).

Общие сведения о строении рибосом приведены в § 3.8. В процессе трансляции рибосомы должны одновременно взаимодействовать с мРНК и двумя молекулами тРНК, одна из которых несет на 3 '-конце пептидный фрагмент, а другая — аминоацильный. Участки рибосомы, на которых связываются эти тРНК, соответственно называют Р-участком и А-участком (или Р-сайтом и ?-сайтом от англ. site — место). Многочисленные данные свидетельствуют, что в обоих участка