Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011

Роль РНК в трансляции
Рибосомные РНК

Если бы взаимодействие всех компонентов, которые участвуют в трансляции мРНК, происходило в свободном растворе, то вероятность одновременной их встречи была бы ничтожна и скорость полимеризации была бы крайне низкой. Эффективность трансляции обеспечивается связыванием мРНК и аминоациллированных тРНК с рибосомами - наиболее многочисленными из присутствующих в клетке РНК-белковых комплексов, которые реализуют элонгацию полипептидов со скоростью 3-5 аминокислот в секунду.

Поэтому небольшие белки, состоящие из 100-200 аминокислот, синтезируются за минуту или менее того. С другой стороны, требуется 2-3 часа, чтобы синтезировать самый большой из известных белков, титин, который обнаружен в мышцах, и который состоит более чем из 30 000 аминокислотных остатков. Тот клеточный "агрегат", который выполняет эту работу, обязан быть точным и надежным.

С помощью электронного микроскопа рибосомы сначала были обнаружены как небольшие, дискретные, богатые РНК частицы в клетках, секретирующих большие объёмы белков. Однако их роль в биосинтезе белков не была ясна, до тех пор, пока не была выделена чистая рибосомная фракция. Эксперименты in vitro с радиоактивно меченными аминокислотами в такой фракции показали, что аминокислоты сначала присоединяются к аминокислотным цепям, которые растут на рибосоме, а только потом появляются в завершенных белках.

Рибосома состоит из трёх (в бактериях) или четырёх (в эукариотах) различных молекул рРНК и нескольких десятков (до 83-х) белков, которые организованы в две субъединицы - большую и малую (рисунок 40).

Субъединицы рибосомы и молекулы рРНК обычно обозначаются в единицах Сведеборга (S) - единицах измерения скорости седиментации взвешенных частиц центрифугируемых в стандартных условиях. Малая субъединица рибосомы содержит одну молекулу рРНК, которую называют малой рРНК. Большая субъединица включает молекулу большой рРНК и молекулу 5S-рРНК, а у позвоночных ещё одну молекулу 5,8S-рРНК дополнительно.

Рисунок 40 - Составные части рибосом в прокариотах и эукариотах

Длина молекул рРНК, количество белков в каждой субъединице и, следовательно, размер субъединиц различен в бактериальных и эукариотических клетках. Собранная рибосома представляет собой 70S в бактериях и 80S у позвоночных.

Но намного интереснее этих различий то структурное и функциональное подобие, которое наблюдается между рибосомами всех организмов. Это подобие является ещё одним отражением общего эволюционного происхождения основных компонентов биологических клеток.

На сегодняшний день установлены нуклеотидные последовательности больших и малых рРНК нескольких тысяч организмов. Хотя первичная нуклеотидная последовательность этих рРНК существенно варьируется, но подобные части каждого типа РНК теоретически могут сформировать все те спирали и петли, которые образуют подобную трёхмерную структуру каждой рРНК во всех организмах.

Реальная пространственная структура бактериальной рРНК из Thermits thermopolis недавно была определена методом рентгеноструктурной кристаллографии 70S рибосомы.

Множественные, относительно небольшие рибосомные белки ассоциированы, главным образом, с поверхностью рРНК. Хотя количество белковых молекул в рибосоме намного превышает число молекул рРНК, последние составляют около 60% массы рибосомы.

В ходе трансляции рибосома движется вдоль мРНК, взаимодействуя со многими белковыми факторами и тРНК, и претерпевает большие конформационные изменения.

Несмотря на сложность рибосомы, достигнут значительный прогресс в определении общей структуры бактериальных рибосом и идентификации их различных реакционных центров. В результате рентгеновских кристаллографических исследований 70S рибосомы Thermits thermopolis, например, не только был выявлен размер и общая форма рибосомных субъединиц, но также были локализованы позиции, в которых с рибосомой связывается тРНК в процессе элонгации растущей белковой цепи.

Кроме того, эффективные химические методики, такие, как "footprint" (специфическая ассоциация с нуклеотид-связывающимися белками), были использованы для идентификации специфических нуклеотидных последовательностей в рРНК, которые связываются с белками или другими РНК. Через пол века после открытия рибосом их структура и функции в ходе белкового синтеза наконец стали ясны.

ВЫВОДЫ

Генетическая информация транскрибируется с ДНК в мРНК в форме неперекрывающегося, вырожденного триплетного кода, в котором нет знаков препинания.

Каждая аминокислота кодируется одной или несколькими трёхнуклеотидными последовательностями (кодонами) в мРНК. Каждый кодон задает одну аминокислоту, но большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами.

Метиониновый кодон AUG в большинстве случаев является стартовым, определяя аминокислоту на NН₂-конце белковой цепочки. Три кодона (UAA, UAG, UGA) выполняют функцию стоп-кодонов и не задают аминокислот.

Рамка считывания, непрерывная последовательность кодонов в мРНК от специфического старт-кодона до стоп-кодона, транслируется в линейную последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Декодирование нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность белка зависит от тРНК и аминоацил — тРНК-синтетаз.

Все тРНК имеют подобную трёхмерную структуру, которая включает акцепторный конец для присоединения специфической аминокислоты и антикодоновую петлю с трёхосновной антикодоновой последовательностью на её конце. Антикодон может спариваться с соответствующим кодоном в мРНК.

Вследствие образования нестандартных пар тРНК может спариваться более чем с одним кодоном мРНК и, наоборот, данный кодон может спариться с несколькими тРНК. В любом случае, однако, только правильные аминокислоты вставляются в растущую полипептидную цепь.

Каждая из 20 аминоацил-тРНК-синтетаз распознает единственную аминокислоту и ковалентно связывает её с родственными тРНК, формируя аминоацил-тРНК. Эта реакция активирует аминокислоту и она может участвовать в образовании пептидной связи.

И прокариотические, и эукариотические рибосомы - большие рибонуклеопротеиновые комплексы, на которых происходит трансляция - состоят из малой и большой субъединиц. Каждая субъединица содержит значительное число различных белков и одну главную молекулу рРНК (малую или большую). Большая субъединица также включает одну дополнительную 5S рРНК в бактериях и две дополнительных рРНК в клетках эукариот (5S и 5,8S у позвоночных).

Аналогичные рРНК многих различных организмов сворачиваются в чрезвычайно подобные трёхмерные структуры, содержащие многочисленные петли и места связывания белков, мРНК и тРНК. Значительно меньшие по размеру рибосомные белки ассоциируются с периферическими областями рРНК.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой клеточный процесс называется трансляцией РНК?

2. Какова функция мРНК в трансляции?

3. Какова функция тРНК в трансляции?

4. Какова функция рибосомных РНК в трансляции?

5. Что такое генетический код?

6. Перечислите восемь свойств генетического кода.

7. В чем заключается триплетность генетического кода?

8. В чем заключается вырожденность генетического кода?

9. Для каких двух аминокислот генетический код не вырожден?

10. Что называется кодоном и антикодоном?

11. Какие кодоны называются терминирующими? Сколько их в генетическом коде?

12. Какие кодоны называются бессмысленными (нонсенсами)?

13. Какой кодон называется стартовым?

14. В чем заключается однозначность генетического кода?

15. В чем заключается универсальность генетического кода?

16. В чем заключается компактность генетического кода?

17. Какие мутации называются консервативными?

18. Какие мутации называются радикальными?

19. Какие мутации называются миссенс-мутациями?

20. В чем заключается неперекрываемость генетического кода?

21. Что называется рамкой считывания?

22. Сколько может быть различных рамок считывания? Приведите пример.

23. В чем заключается активирование аминокислот аминоацил-тРНК-синтетазой?

24. Чем отличается аминоацил-тРНК от тРНК?

25. Что такое антикодон и в чем его отличие от кодона?

26. В чем сходство и различие кодона и антикодона?

27. Приведите примеры нестандартного спаривания нуклеотидов кодона и антикодона.

28. Какие кодоны называются кодонами-синонимами?

29. В чем различие рибосом прокариот и эукариот?