Клеймо создателя

Найдено несколько десятков (теоретически 61) индивидуальных тРНК, так как каждая из них способна переносить в процессе белкового синтеза единственную аминокислоту. Конкретные тРНК называют по имени той протеиногенной аминокислоты, которую они акцептируют (например, лизиновая тРНК). Если одна и та же аминокислота акцептируется несколькими индивидуальными тРНК, то последние называют изоакцепторными и нумеруют (например, одна из тРНК для валина – тРНКвал1).

Несмотря на то, что молекулы тРНК строго специфичны, и каждой из них соответствует собственный антикодон и присоединяемая аминокислота, они не являются полноценными посредниками между этими аминокислотами и этими (анти-) кодонами. Последние – это часть структуры тРНК, что до первых, то тРНК не узнают их в принципе, да и садятся они на один и тот же триплет тРНК – концевую последовательность -ССА– 3`, не различающую аминокислоты. Требуется еще один посредник, который бы узнавал обе эти молекулы так же безошибочно, как кодон узнает антикодон – и связывал их. Правила узнавания кодона и антикодона, приводящие к выбору той или иной аминокислоты для роста цепочки полипептида, называются генетическим кодом. Эти правила имеют линейный, матричный характер. Ясно, что их недостаточно, чтобы аминокислота нашла свой антикодон (в своей тРНК), поскольку 3`-последовательность, на которую она садится, у всех тРНК одна и та же. Рибосомы же, где происходит полимеризация аминокислот, различают именно тРНК. Таким образом, должна существовать еще, как минимум, одна молекула, способная различать аминокислоты и соответствующие им тРНК. Этот минимум Природа реализовала в виде молекулы аминоацил-тРНК-синтетазы, АРСазы. АРСазы способны различать и фиксировать на своей поверхности каждую из всех двадцати аминокислот. Одновременно они различают и соответствующие изоакцепторные тРНК. Рибосома имеет общий сайт связывания для всех тРНК и не различает их. Других молекулярных посредников между записанной в нуклеиновой кислоте и реализуемой в виде полипептида информации нет, и генетическое кодирование объединяет только три молекулы: тРНК с ее антикодоном, соответствующая ему аминокислота и фермент АРСаза. АРСаза способна присоединять еще и три остатка фосфорной кислоты, служащие источником энергии для реакции аминоацилирования тРНК, которую и катализирует АРСаза. Поскольку мы рассматриваем здесь не весь механизм синтеза белков, а только его кодировку, то есть, машину кодирования, а не машину синтеза, о других молекулярных деталях этой машины – различных полимеразах и других ферментах, информационных и рибосомальных РНК, самих рибосомах и т. п. – мы говорить не будем.

Таким образом, генетический код, как соответствие триплета оснований той или иной аминокислоте, реализуется не как взаимное узнавание (рекогниция, для которой не существует физико-химических оснований), а как узнавание одного и того же посредника – белка АРСазы, структура которого имеет соответствующие сайты. Это узнавание должно иметь вполне убедительную стереохимическую основу. И тем не менее, малая величина аминокислот и однотипная стереохимия тРНК представляют серьезные трудности для рекогниции. Справедливости ради стоит, однако, сказать, что тРНК все же несколько отличаются друг от друга – и не только антикодоном: имеют место небольшие нуклеотидные отличия, так что тРНК с разными антикодонами несколько различны и по своей пространственной конфигурации.

Детальному анализу структуры и функции АРСаз посвящены очень основательные обзоры Карла Взе 52 ; на русском языке о них довольно подробно можно прочесть в популярных статьях 53 замечательного Соровского Образовательного Журнала. Нас интересуют здесь лишь основные характеристики этих ферментов. Википедия – вполне корректно – трактует АРСазу следующим образом:

«Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) – фермент, катализирующий образование аминоацил-тРНК в реакции этерификации определенной аминокислоты с соответствующей ей молекулой тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя АРСаза. АРСазы обеспечивают соответствие подготавливаемых ими к встраиванию в белок аминокислот и нуклеотидных триплетов антикодона тРНК, таким образом, обеспечивая правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосоме.

52

Woese CR, Olsen GJ, Ibba M, Soll D. Amino-acyl-tRNA syntheses, the genetic code and the evolutionary process. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 64: 202—236 (2000)

53

1) Фаворова ОО, 1998, Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков, Соросовский Образовательный Журнал, №11

2) Энтелис Н. С., 1998, Аминоацил-тРНК-синтетазы: два класса ферментов, Соросовский Образовательный Журнал, №9

На первом этапе происходит активация аминокислоты АТРазой:

аминокислота+ АТР– >аминоацил-AMP +РРi (пирофосфат).

На втором этапе активированная аминокислота соединяется с соответствующей тРНК:

аминоацил-AMP + тРНК – > аминоацил-тРНК + АМР

Суммарное уравнение двух реакций:

аминокислота + тРНК + ATP – > аминоацил-тРНК + AMP + PPi

Сначала в активном центре синтетазы связываются соответствующая аминокислота и АТФ. Из трх фосфатных групп АТФ две отщепляются, образуя молекулу пирофосфата (PPi), а на их место становится аминокислота. Образованное соединение (аминоацил-аденилат) состоит из ковалентно связанных высокоэнергетической связью аминокислотного остатка и АТФ. Энергии, содержащейся в этой связи, хватает на все дальнейшие этапы, необходимые для того, чтобы аминокислотный остаток занял сво место в полипептидной цепи (то есть в белке). Аминоацил-аденилаты нестабильны и легко гидролизуются, если диссоциируют из активного центра синтетазы. Когда аминоацил-аденилат сформирован, с активным центром синтетазы связывается 3» -конец тРНК, антикодон которой соответствует активируемой этой синтетазой аминокислоте. Происходит перенос аминокислотного остатка с аминоацил-аденилата на 2» – либо 3» -ОН группу рибозы, входящей в состав последнего на 3» -конце аденина тРНК. Таким образом синтезируется аминоацил-тРНК, то естьтРНК несущая ковалентно присоединнный аминокислотный остаток. От аминоацил-аденилата при этом остатся только АМФ. И аминоацил-тРНК, и АМФ освобождаются активным центром.

Каждая из двадцати аминоацил-тРНК-синтетаз должна всегда прикреплять к тРНК только свою аминокислоту, узнавая только одну из 20-ти протеиногенных аминокислот, и не связывая другие похожие молекулы, содержащихся в цитоплазме клетки. Аминокислоты значительно меньше тРНК по размерам, неизмеримо проще по структуре, поэтому их узнавание является значительно большей проблемой, чем узнавание нужной тРНК. В действительности, ошибки имеют место, но их уровень не превышает одной на 10,000 – 100,000 синтезированных аминоацил-тРНК. Некоторые аминокислоты отличаются друг от друга очень слабо, например, лишь одной метильной группой (I и V, A и G). Для таких случаев во многих аминоацил-тРНК-синтетазах эволюционировали механизмы, избирательно расщепляющие ошибочно синтезированные продукты. Процесс их распознавания и гидролиза называют редактированием…

Все аминоацил-тРНКсинтетазы произошли от двух предковых форм, и объединены на основе структурного сходства в два класса. Эти классы отличаются по доменной организации, структуре главного (амино-ацилирующего) домена, способу связывания и аминоацилирования тРНК. Аминоацилирующий домен аминоацил-тРНК синтетаз 1-го класса образован так называемой укладкой Россмана, в основе которой лежит параллельный -лист. Ферменты 1-го класса являются в большинстве случаев мономерами. 76-й аденозин тРНК они аминоацилируют по 2» -ОН группе. Ферменты 2-го класса имеют в основе структуры аминоацилирующего домена антипараллельный -лист. Как правило, они являются димерами, то есть имеют четвертичную структуру. За исключением фенилаланил-тРНКсинтетазы все они аминоацилируют 76-й аденозин тРНК по 3» -ОН группе. Каждый класс дополнительно делится на 3 подкласса – a, b и c по структурному сходству…

Глобула аминоацил-тРНК-синтетазы состоит из двух основных доменов – аминоацилирующего, в котором располагается активный центр и происходят реакции, и антикодон-связывающего, узнающего последовательность антикодона тРНК…»

Этот довольно пространный отрывок дает только самое общее впечатление о сложности структуры и функции АРСаз. Помимо основных описанных функций, они выполняют в клетке и другие, называемые неканоническими; мы касаться их не будем.

И все же функция упомянутого выше антикодон-связывающего домена не является абсолютным условием аминоацилирования тРНК. Нина Энтелис в связи с этим отмечает, что «для аланиновой АРСазы, например, основным элементом узнавания служит неканоническая пара G-U в аминоакцепторном стебле. При замене этой пары на G-C, A-U и даже на U-G аланиновая тРНК теряет способность аминоацилироваться аланином. Если же в любой другой тРНК заменить третью пару аминоакцепторного стебля на G-U, то эта тРНК приобретает сродство к аланиновой АРСазе и способность присоединять аланин. Таким образом, для распознавания своей тРНК аланиновой АРСазе (и она не исключение) достаточно небольшого участка аминоакцепторного стебля». У сериновой и лейциновой АРСаз E. coli антикодон также не участвует во взаимной рекогниции. Это, в частности, значит, что изменение антикодона в таких случаях – а иногда и в других, когда даже весь антикодон участвует в узнавании своей АРСазой, – не сможет повлиять на исходную специфичность аминокислоты – разве что сделает ее несколько менее эффективной.

Стоит еще раз упомянуть две особенности АРСаз. Во-первых, это очень различные в структурном отношении белковые молекулы, преимущественно классифицированные только по узнаваемому субстрату. Во-вторых, они обладают столь высокой специфичностью, что для ее характеристики даже используется особый термин – сверхспецифичность. Это свойство, отмечает Ольга Лаврик, тем более уникально, что «задачу специфичности АРСазы решают дважды: на стадии активации аминокислоты и на стадии взаимодействия с тРНК». И это при скорости роста полипептидной цепи в 20 аминокислот в секунду (для прокариот; у эукариот эта скорость на порядок меньше).

А теперь – имея в виду все, о чем мы только что рассказали, – отметим следующие два обстоятельства:

тРНК транскрибируются на геномной матрице, где естественно – как и всякие гены – подвергаются мутациям, которые приводят к точечным и другим изменениям в транскриптах (в том числе – и в антикодонах);

любая мутация по основаниям антикодона или по другим основаниям тРНК, участвующим в рекогниции АРСазами, которая может привести к изменению соответствия кодон-аминокислота, то есть к изменению кодировки немедленно исключит мутант из процесса декодирования; —