Введение в биологию (IXc)
Тема IXc
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)
Откуда рибосома “знает”, какую аминокислоту она должна в данный момент присоединить к полипептиду? В этом ей помогает транспортная РНК (тРНК), переносящая аминокислоты. Она одноцепочечная, но имеет комплементарные спаренные участки, на которых образуются двойные спирали. Типичная конформация тРНК называется “клеверный лист”. Для каждой аминокислоты есть своя тРНК, и чаще всего не одна.
На этой картинке цветами обозначены взаимно комплементарные участки тРНК, так называемые шпильки. У транспортных РНК есть еще одна особенность: в их состав входит много разных химически модифицированных нуклеозидов, которые называют минорными. Например, буквой ψ (пси) принято обозначать минорный нуклеозид псевдоуридин, в состав которого входит не урацил, а его изомер. Естественно, все нуклеозиды входят в РНК в виде нуклеотидов. Транспортная РНК - относительно небольшая молекула, ее длина обычно всего 70-90 нуклеотидов. Вблизи 3'-конца находится универсальная для всех тРНК концевая последовательность ЦЦА (тут стоит обратить внимание на то, что нуклеотидные последовательности по умолчанию всегда читаются от 5'-конца к 3'-концу, подобно тому, как обычный буквенный текст читают слева направо). Именно к 3'-концу тРНК присоединяется аминокислота.
Само присоединение аминокислоты выглядит так. Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (он же просто кодаза) сшивает с выделением воды 3’-гидроксил концевого аденозина тРНК и карбоксильную группу аминокислоты. Последняя тем самым временно превращается в ковалентно связанный с рибозой остаток аминоацила (с группой R-CO- вместо R-COOH). Также в этой реакции участвует АТФ, который расщепляется в ходе нее до АМФ. Но главный продукт реакции - это аминоацил-тРНК, то есть молекула транспортной РНК с висящей на "черешке клеверного листа" аминокислотой.
На вершине петли тРНК всегда находится антикодон - триплет, комплементарный кодону той аминокислоты, которую данная тРНК переносит. Например, для фенилаланина кодону УУУ соответствует антикодон ААА, поскольку, как мы уже знаем, урацил комплементарен аденину.
Во время трансляции любая проплывающая мимо тРНК может случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к полипептидной цепочке, а сама продвинется по иРНК на шаг вперед (в сторону 3’-конца), и цикл повторится.
Общая схема участия тРНК в трансляции. Антикодон каждой тРНК, связанной с рибомосой, комплементарен кодону, находящемуся в данный момент в активном центре. Добавим, что белок при трансляции синтезируется от N-конца к C-концу. Именно поэтому аминокислотные последовательности белков всегда в таком же порядке и записываются.
Источниками энергии и для транскрипции, и для трансляции служат нуклеозидтрифосфаты, причем не столько хорошо знакомый нам АТФ, сколько гораздо менее распространенный ГТФ. Почему так - не совсем понятно (по крайней мере, мне). Тут можно порассуждать, но без всяких претензий на окончательность выводов.
Прежде всего: почему самой универсальной "энергетической валютой" стал АТФ, а не ГТФ? Может быть, это объясняется тем, что в молекуле аденина, в отличие от молекулы гуанина, нет атомов кислорода. На древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере было очень мало, аденин легче синтезировался, и соответственно адениновые нуклеотиды тоже (Zhou, 2014). Клетки использовали тот химический субстрат, который был самым доступным.
Но универсальность АТФ имеет и свои минусы. Соотношение концентраций [АТФ]/[АМФ] очень жестко контролируется внутриклеточными регуляторными системами; в многоклеточном организме его слишком резкое отклонение от нормы может вызвать даже "самоубийство" отдельной клетки (апоптоз). На ГТФ этот контроль не распространяется, поэтому менять его концентрацию можно гораздо свободнее. Возможно, смысл "подключения" транскрипции и трансляции к ГТФ - в том, чтобы сделать эти жизненно важные процессы как бы автономными, снизить их зависимость от всего остального происходящего в клетке.
Теперь мы наконец можем взглянуть на самую общую схему трансляции. Здесь она очень сильно упрощена. Примерно так выглядит минимальный "сухой остаток" того, что всякому интересующемуся современной биологией стоит знать об этом процессе.
Если синтезировать искусственную иРНК, в которую из всех азотистых оснований входит только урацил, и поместить ее в раствор, где есть рибосомы, полный набор аминоацил-тРНК и источники энергии, то прямо в пробирке начнет синтезироваться белок, состоящий из единственной аминокислоты - фенилаланина. Именно так в 1960 году был экспериментально расшифрован первый кодон - УУУ. Это кодон фенилаланина. Расшифровка всех остальных кодонов после этого была уже исключительно делом "хорошей химии", как выражается в подобных случаях Джеймс Уотсон. Завершить ее удалось всего за каких-то пять лет. К 1965 году генетический код был полностью взломан (cracked); именно так это тогда называли в статьях, а еще больше в разговорах, в духе основоположника научного мировоззрения Фрэнсиса Бэкона, некогда заявившего, что знание - сила.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)
Откуда рибосома “знает”, какую аминокислоту она должна в данный момент присоединить к полипептиду? В этом ей помогает транспортная РНК (тРНК), переносящая аминокислоты. Она одноцепочечная, но имеет комплементарные спаренные участки, на которых образуются двойные спирали. Типичная конформация тРНК называется “клеверный лист”. Для каждой аминокислоты есть своя тРНК, и чаще всего не одна.
На этой картинке цветами обозначены взаимно комплементарные участки тРНК, так называемые шпильки. У транспортных РНК есть еще одна особенность: в их состав входит много разных химически модифицированных нуклеозидов, которые называют минорными. Например, буквой ψ (пси) принято обозначать минорный нуклеозид псевдоуридин, в состав которого входит не урацил, а его изомер. Естественно, все нуклеозиды входят в РНК в виде нуклеотидов. Транспортная РНК - относительно небольшая молекула, ее длина обычно всего 70-90 нуклеотидов. Вблизи 3'-конца находится универсальная для всех тРНК концевая последовательность ЦЦА (тут стоит обратить внимание на то, что нуклеотидные последовательности по умолчанию всегда читаются от 5'-конца к 3'-концу, подобно тому, как обычный буквенный текст читают слева направо). Именно к 3'-концу тРНК присоединяется аминокислота.
Само присоединение аминокислоты выглядит так. Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (он же просто кодаза) сшивает с выделением воды 3’-гидроксил концевого аденозина тРНК и карбоксильную группу аминокислоты. Последняя тем самым временно превращается в ковалентно связанный с рибозой остаток аминоацила (с группой R-CO- вместо R-COOH). Также в этой реакции участвует АТФ, который расщепляется в ходе нее до АМФ. Но главный продукт реакции - это аминоацил-тРНК, то есть молекула транспортной РНК с висящей на "черешке клеверного листа" аминокислотой.
На вершине петли тРНК всегда находится антикодон - триплет, комплементарный кодону той аминокислоты, которую данная тРНК переносит. Например, для фенилаланина кодону УУУ соответствует антикодон ААА, поскольку, как мы уже знаем, урацил комплементарен аденину.
Во время трансляции любая проплывающая мимо тРНК может случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к полипептидной цепочке, а сама продвинется по иРНК на шаг вперед (в сторону 3’-конца), и цикл повторится.
Общая схема участия тРНК в трансляции. Антикодон каждой тРНК, связанной с рибомосой, комплементарен кодону, находящемуся в данный момент в активном центре. Добавим, что белок при трансляции синтезируется от N-конца к C-концу. Именно поэтому аминокислотные последовательности белков всегда в таком же порядке и записываются.
Источниками энергии и для транскрипции, и для трансляции служат нуклеозидтрифосфаты, причем не столько хорошо знакомый нам АТФ, сколько гораздо менее распространенный ГТФ. Почему так - не совсем понятно (по крайней мере, мне). Тут можно порассуждать, но без всяких претензий на окончательность выводов.
Прежде всего: почему самой универсальной "энергетической валютой" стал АТФ, а не ГТФ? Может быть, это объясняется тем, что в молекуле аденина, в отличие от молекулы гуанина, нет атомов кислорода. На древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере было очень мало, аденин легче синтезировался, и соответственно адениновые нуклеотиды тоже (Zhou, 2014). Клетки использовали тот химический субстрат, который был самым доступным.
Но универсальность АТФ имеет и свои минусы. Соотношение концентраций [АТФ]/[АМФ] очень жестко контролируется внутриклеточными регуляторными системами; в многоклеточном организме его слишком резкое отклонение от нормы может вызвать даже "самоубийство" отдельной клетки (апоптоз). На ГТФ этот контроль не распространяется, поэтому менять его концентрацию можно гораздо свободнее. Возможно, смысл "подключения" транскрипции и трансляции к ГТФ - в том, чтобы сделать эти жизненно важные процессы как бы автономными, снизить их зависимость от всего остального происходящего в клетке.
Теперь мы наконец можем взглянуть на самую общую схему трансляции. Здесь она очень сильно упрощена. Примерно так выглядит минимальный "сухой остаток" того, что всякому интересующемуся современной биологией стоит знать об этом процессе.
Если синтезировать искусственную иРНК, в которую из всех азотистых оснований входит только урацил, и поместить ее в раствор, где есть рибосомы, полный набор аминоацил-тРНК и источники энергии, то прямо в пробирке начнет синтезироваться белок, состоящий из единственной аминокислоты - фенилаланина. Именно так в 1960 году был экспериментально расшифрован первый кодон - УУУ. Это кодон фенилаланина. Расшифровка всех остальных кодонов после этого была уже исключительно делом "хорошей химии", как выражается в подобных случаях Джеймс Уотсон. Завершить ее удалось всего за каких-то пять лет. К 1965 году генетический код был полностью взломан (cracked); именно так это тогда называли в статьях, а еще больше в разговорах, в духе основоположника научного мировоззрения Фрэнсиса Бэкона, некогда заявившего, что знание - сила.