Реферат на тему:
Регулювання білкового синтезу
2009
Регулювання білкового синтезу
2009
Трансляція іРНК
Термін «трансляція» означає передачу спадкової інформації від іРНК до білка. Простіше кажучи, «переклад» послідовності тричленних кодонів іРНК в послідовність амінокислот синтезованого білка.
У підручнику Беркінбліт, Глаголєва і Фуралева цей процес описаний досить докладно. Нагадаю головні його риси. У всіх відносно малих (близько 80 нуклеотидів) транспортних РНК (тРНК) є однониткових ділянку («петля»), де розташовується «антикодон» - трійка нуклеотидів, комплементарних кодону. Антикодон водневими зв'язками з'єднується з кодоном, і в цьому полягає «впізнавання» кодону, що визначає амінокислоту, яка повинна бути приєднана до зростання ланцюга білка. Різних тРНК в клітині є, як мінімум, 20 - за кількістю амінокислот.
На 3'-кінці всіх тРНК варто трійка нуклеотидів ЦЦА. До неї спеціальний фермент, «аміноацил-тРНК-синтетаза», Коваль-ремонтної зв'язком приєднує амінокислоту, відповідну антикодоном цієї тРНК. Утворюється молекула «аміноацил-цил-тРНК». Домовимося для стислості позначати її аа-тРНК. Процеси «пізнавання» кодону і синтезу білка відбуваються в рибосоме. Її утворюють дві субодиниці - мала і велика. Сумарний їх діаметр близько 25 миллимикрон. У кожній з субодиниць є набір специфічних білків і молекули великих рибосомних РНК: одна - в малій субодиниці та дві (а у еукаріотів три) - у великій. Молекулярні ваги цих pPHK лежать в діапазоні 0,5-1,5 мільйона дальтон (від 1541 до 4718 нуклеотидів). Малі pPHK рибосом (є й такі) мають довжину всього 120-160 нуклеотидів.
Білки рибосом, загальною кількістю близько 55-ти (в середньому) у прокаріотів і 83-х у еукаріотів забезпечують послідовність етапів біосинтезу кінцевого білка: посадку рибосоми на іРНК, її просування вздовж матриці, перекидання зростання ланцюга білка з однієї молекули тРНК на іншу, закінчення трансляції і зняття рибосоми з матриці іРНК. У цих процесах беруть участь і деякі білки цитоплазми, тимчасово зв'язуються з рибосомою - так звані «фактори» ініціації, елонгації і термінації білкового синтезу.
Рибосоми еукаріотів значно більше, ніж у бактерій. Можлива посадка на іРНК і декількох рибосом, наступних один за одним. Така комбінація іменується «полисомой».
У клітці E.coli налічується близько 20 тисяч рибосом. Місце приєднання рибосом до іРНК для E.coli відомо. Це - послідовність АГГАГГУ-З, розташована на 10 нуклеотидів раніше АУГ - початкового кодону для синтезу білка. Вважають, що 3'-кінець рРНК малої субодиниці рибосоми E.coli комплементарний до цієї послідовності.
Щодо рибосом вищих організмів вважають, що вони сідають довільно з боку 5'-кінця мРНК, а потім «ковзають» по ній до тих пір, поки не зустрінуть ініціаторний кодонАУГ в спеціальному оточенні: АЦЦАУГГ.
Нам відомо, що субодиниці рибосом (мала і велика) синтезуються порізно. Посадку рибосоми на визначене для неї місце на іРНК здійснює мала субодиниця. Велика субодиниця до неї потім приєднується. Зняття рибосоми з матриці іРНК, очевидно, здійснюється шляхом роз'єднання субодиниць. Перед цим у рибосому замість чергової аа-тРНК входить якийсь спеціальний білок (RF-release factor). Він витісняє з рибосоми що залишається в ній частину поліпептидного ланцюжка білка. У еукаріотів частина рибосом за своєю великою субодиницею зв'язується з внутрішньоклітинними мембранами. Синтезовані ними білки потрапляють в апарат Гольджі і секретуються клітиною назовні. Рибосоми в цитоплазмі забезпечують власні потреби клітини. Після завершення синтезу поліпептидного ланцюга білка починається Посттрансляційна трансформація білка, зокрема, його згортання в глобулу. (Втім, не виключено, що для великих білків це згортання починається ще в процесі трансляції.) Згортання білків у клітині сприяють ще й спеціальні білки - «помічники». В англійській термінології вони іменуються «molecular chaperones» (компаньйони). Короткі білки (менше 300 амінокислот) легко згортаються в одну компактну структуру - «домен». Великі білки еукаріотів іноді згортаються в два або три домени, пов'язаних короткими відрізками поліпептидного ланцюжка. Трансформація білка перед його згортанням може включати в себе і хімічну модифікацію деяких амінокислот: приєднання Сахаров або ліпідів - особливо для білків мембран. Можливі й деякі укорочування поліпептидного ланцюга екзопептидаза (в інтересах кращого згортання) і т. д. Повернемося тепер до більш докладного аналізу центрального процесу - синтезу поліпетідной ланцюга білка в рибосоме по матриці іРНК. Основні уявлення про цей процес були викладені вище. Але в цих уявленнях є чимало прихованих «темних місць». Я попереджаю: все наступне є гіпотезою автора, яку я пропоную для критичного розгляду своїм учням. На рис. зображена рибосома у двох розрізах. Я припускаю, що у великій субодиниці є два канали К1 і К2.
MET
Рис.
Ліва схема - розріз рибосоми площиною, перпендикулярної до іРНК, що проходить через вертикальний канал Кр іРНК тут зображена маленьким кружком з перехрестям. На правому розрізі її видно, як вузька смужка, де кодони відзначені рисками. Це - розріз площиною, що проходить через іРНК і обидва канали. З зіставлення розрізів видно, що горизонтальний канал має витягнуте вниз розтин. Вертикальний канал - круглий. Пронумеровані половинки еліпсів зображують молекули тРНК. Їх прямолінійні ділянки - антикодоном. Чорна точка у вершини напівеліпса - амінокислота. Ланцюжок чорних крапок, що виходить з Ki - новосинтезованих фрагмент білка. Нижня точка на цьому ланцюжку - метіонін, з якого починався синтез білка.
Рибосома просувається вздовж іРНК зліва направо стрибками - відразу на цілий кодон. (Напрям руху 5'-3 '). Зображено момент, коли такий стрибок тільки-но закінчився. Звільнена тРНК № 1 залишає рибосому. На тРНК № 2, що перебуває в «сайтi» П, сидить уже синтезований фрагмент білка. На тРНК № 3 (в сайті А) - наступна аміноацил-тРНК. аа-тРНК № 4 тільки входить у канал Kg, вона ще не зблизилася зі «своїм» кодоном.
Під час наступного стрибка рибосоми вправо остання аа-тРНК підійде до цього кодону, «впізнає» його і виявиться в сайті А, в тому положенні, яке на малюнку займає аа-тРНК № 3. У цей же час весь фрагмент білка відірветься від тРНК № 2 і приєднається пептидного зв'язком до амінокислоті, принесеної тРНК № 3, а сама ця тРНК вже виявиться в сайті П - над вертикальним каналом К1 - у положенні, яке на малюнку займає тРНК № 2. Ланцюг білка подовжиться тим самим на одну ланку. «Відпрацьована» тРНК № 2 відірветься від свого кодону і почне виходити з рибосоми.
Тепер звернемося до проблеми генетичного коду.
Нагадаю, що з 64-х триплетних кодонів в іРНК три кодон (УАА, УАГ і УГА) диктують закінчення синтезу білка і зняття рибосоми з іРНК. Решта кодони «значущі», тобто диктують приєднання до синтезується ланцюга білка певних амінокислот. Треба розібратися в цій «визначеності». Ми знаємо, що генетичний код - вироджений. 61 кодон іРНК розпоряджається включенням до білок всього 20-ти амінокислот. Було навіть відмічено, що на кожну амінокислоту припадає по 3 кодону. Насправді розподіл аж ніяк не таке рівномірне.
Амінокислоту лейцин визначає цілих 6 кодонів (для простоти викладу не буду їх перераховувати). Такий же надлишок кодонів виявляється для серину і аргініну. П'ять амінокислот (гли, Вал, Про, Ала і Тре) кодуються з чотирикратним ізбиті-кім. Ізолейцин відповідають 3 кодону. Для метіоніну існує тільки один кодон (АУГ). Таке ж суворе відповідність має місце для триптофану, У решти дев'яти амінокислот є по 2 кодону.
У чотириразово, що втричі і двократно вироджених кодонів спостерігається різниця тільки в останньому (рахуючи по напрямку руху рибосоми), третьому нуклеотиді кодону. Нерідко припускають, що цей нуклеотид не відіграє суттєвої ролі і ... 41 кодон «погоджується» з такою зневагою. Для «шестиразового виродження» чотирьох нуклеоті-дів, які можуть займати третє положення у кодоні, вже недостатньо. Для Арг і Лей доводиться додатково визнати неістотність і першого нуклеотиду їх кодонів. Ще гірші справи з серину. Два з шести кодонів відрізняються від інших чотирьох вже в першому і другому йуклеотідах. Щось занадто багато несуттєвого! Природа цього не терпить.
У твердженні про неістотності настільки багатьох нуклеотидів в кодонах мовчазно передбачається, що транспортних тРНК є тільки 20 - за кількістю амінокислот (і у кожної - тільки один з «дозволених» антикодоном). Чи так це? Бути може виродження має місце і для тРНК («ізоакцепторними тРНК»)? Тобто, для доставки аргініну, лейцину і серину у рибосому існує по шість різних тРНК з різними можливими для цих амінокислот антикодоном. Далі аналогічно - по чотири, три і дві різних тРНК. І тільки для метіоніну і тріп-Тофан - по одній. У цьому випадку повинні існувати 61 різних тРНК. Експериментальні дані свідчать на користь такого припущення.
«Ізоакцепторними», тобто різних, але що приєднують до себе одну і ту ж амінокислоту транспортних РНК є не менше 59-ти. (За деякими підрахунками їх ще більше, але це вимагає перевірки, оскільки сумарні цифри отримували із сукупності робіт різних авторів). Ізоакцепторними тРНК для однієї амінокислоти виявляють методом колонкової хроматографії, з яким ми будемо знайомитися пізніше.
Але якщо транспортних РНК стільки ж, скільки кодонів, то кожен кодон «впізнається» ними цілком і ніяких нуклеотидів, не грають істотної ролі в кодонах, немає.
При вивченні транспортних РНК виникає ще одне питання, на яке поки що ніхто не відповів. На відміну від всіх інших РНК, транспортні РНК обов'язково мають у своїй первинній структурі «модифіковані» нуклеотиди. Іноді це тільки приєднання до нуклеїнових основ метильної групи (СНД). А іноді - досить великих атомардих конструкцій, розміром трохи чи не в саму основу. У різних тРНК модифікації різні і модифіковані нуклеотиди розташовані в різних місцях. Чим організм складніше, тим модифікованих нуклеотидів в його тРНК більше. Навіщо вони?
Я пропоную обговорити досить сміливу гіпотезу. Молекула тРНК компактна. У ній багато спарених нуклеотидів («шпильок»), утворених зв'язуванням віддалених один від одного за одиночної нитки тРНК, але комплементарних, ділянок. Можна стверджувати, що кожна молекула тРНК має цілком певну й досить жорстку просторову форму. Модифікація деяких нуклеотидів в молекулі, природно, впливає на цю форму. У вищих організмів таких модифікацій досить багато, щоб мати право припустити відмінність просторових форм усіх ізоакцепторними тРНК.
Тепер повернемося до рис. 29. Ми бачимо, що аа-тРНК № 4 тільки починає входити в канал Kg. Зв'язатися зі своїм код оном, «впізнати» його вона може тільки усередині каналу. Помилки при проникненні в Kg різних аа-тРНК, очевидно, небажані-адже невідповідною аа-тРНК довелося б повертатися з рибо-соми назад в цитоплазму. (Так і незрозуміло яким чином - адже для рибосоми руху у зворотний бік бути не може.) А що, якщо об'ємна форма тРНК служить «перепусткою» в канал? У цьому випадку конфігурація входу в канал повинна «дихати» - перебудовуватися під впливом кожного «очікування» кодону, як би що подає на вхід команду для пропуску підходящої тРНК. Занадто складно? Але не дарма ж у рибосомах еукаріотів майже вдвічі більше різних білків, ніж у прокаріотів. (Принцип роботи рибосом, напевно, в обох випадках однаковий, але проблеми регулювання біосинтезу білка, як ми побачимо, у еукаріотів значно складніше.)
Всі ці міркування наведена тут для ілюстрації того, як народжується (і перевіряється) наукова гіпотеза. Для майбутніх дослідників у галузі молекулярної біології раннє знайомство з логікою побудови такої гіпотези, я вважаю дуже корисним.
У зв'язку з викладеним матеріалом має сенс по-новому поглянути на механізм регулювання білкового синтезу, особливо у вищих організмів. На класичному прикладі лак-оперону E.coli Жакоб і Моно запропонували знайому вам концепцію, в якій беруть участь «оператор», керуючий дозволом транскрипції структурних генів. Перед оператором стоїть «ген-регулятор». Він здатний вести синтез білка-репрессора, який зв'язується з оператором. У свою чергу приходить ззовні в клітину молекула-«активатор» може зв'язати репрессор. Регулювання синтезу білків відбувається на рівні транскрипції ДНК-синтезу іРНК. Це добре для бактерій, де вся ДНК більш-менш доступна для зчитування спадкової інформації протягом усього часу життя клітини. При виникненні необхідності напрацювання нового ферменту, наприклад, при зміні живильного середовища, РНК-полімераза легко може зняти багато копій іРНК з потрібної ділянки геному бактерії.
ДНК вищих організмів сверхскручена дуже тісно, дуже щільно упакована. Доречно сказати кілька слів про спосіб цієї упаковки. Геном людини, наприклад, налічує близько 3-х мільярдів пар основ (рахуючи по гаплоїдному набору хромосом). У вступі було згадано, що відстань між сусідніми парами в спіралі ДНК - приблизно 0,34 міллімікронов. Звідки випливає, що повна довжина «молекули» ДНК у людини становить 1 метр! Як таку довжину вмістити в ядрі клітини? Однак навіть побутової досвід підказує, що дуже довгу, але дуже тонку нитку можна скрутити в крихітний клубок. (Ще древні греки вміли виготовлятися настільки тонкі нитки, що виткане з них сукню можна було протягнути через кільце для пальця.) Але хаотичний клубок непридатний. Його важко розплутати. А згортання ДНК має бути добре організовано, хоча б для того, щоб швидко здійснити редуплікацію всієї молекули.
Для цієї мети служать спеціальні білки - «гістони», тісно пов'язані з ДНК. Зв'язок ця не ковалентний, а електростатична. Всі гістони (їх налічується 5 типів) - суть багаті лізином і аргініном «лужні» білки. У нейтральному середовищі вони несуть досить великий позитивний заряд, за рахунок якого притягуються до негативно зарядженим залишкам фосфорної кислоти в ДНК. Гістони для впорядкування згортання молекул ДНК грають роль, подібну до ролі котушки для ниток. На електронних мікрофотографіях вдається розгледіти частково розгорнутий дезоксірібонуклеопротеін (ДНП), як іменують комбінацію ДНК з гістонами, у вигляді нитки, діаметром близько 2 тц, на якій тісно розташовані свого роду намистинки - «нуклеосоми». Вважають, що основу кожної нуклеосоми становить октамер з восьми молекул гістонів (4-х типів), утворює подобу осердя, на який навита двухнитевой спіраль ДНК, утворюючи два витки загальною довжиною в приблизно 150 пар основ. Лінійний відрізок довжиною близько 50 пар основ з'єднує сусідні нуклеосоми.
Більше того. У нативному стані і ця «нитка з намистинками» згортається в щільну котушку (на кшталт соленоїда), діаметром близько 30 тц. Ланцюжок таких котушок утворює хромосому. Синтез нових іРНК на матриці такий ДНК, швидше за все, можливий тільки під час клітинного ділення, коли мембрана ядра зникає, щільна упаковка розвертається і хромосомний матеріал займає майже весь обсяг клітини.
Якщо це так, то запас іРНК «на всі випадки життя» в клітинах еукаріотів повинен залишатися незмінним. На користь такого припущення говорить той раніше згаданий факт, що у вищих організмів іРНК з'являється в цитоплазмі пов'язаної з якимсь (може бути захисним) білком у вигляді «інформосоми». Але як же регулюється синтез різних білків iio міру їх потреби? Адже харчування клітини через кров теж залежить від споживаної їжі.
Ось тут-то виявляється потенційна цінність вирожденність генетичного коду та модифікації нуклеотидів ізоак-цепторних тРНК.
Припустимо, що у деяких іРНК, що кодують синтез різних білків, амінокислоті серії в якомусь одному випадку відповідає один певний код він, а в інших випадках - хоч всі інші п'ять дозволених кодонів. Припустимо далі, що в даний момент в клітці в активному стані, тобто в стані готовності брати участь у білковому синтезі, відсутній або дуже слабко представлена ізоакцепторними тРНК серину, впізнають саме цей відзначений нами кодон. Тоді всі іРНК, в яких він використовується, не будуть транслюватися і відповідні білки синтезуватися. Решта іРНК, які не використали для включення серину наш «нещасливий» кодон транслюватимуться нормально.
Термін «трансляція» означає передачу спадкової інформації від іРНК до білка. Простіше кажучи, «переклад» послідовності тричленних кодонів іРНК в послідовність амінокислот синтезованого білка.
У підручнику Беркінбліт, Глаголєва і Фуралева цей процес описаний досить докладно. Нагадаю головні його риси. У всіх відносно малих (близько 80 нуклеотидів) транспортних РНК (тРНК) є однониткових ділянку («петля»), де розташовується «антикодон» - трійка нуклеотидів, комплементарних кодону. Антикодон водневими зв'язками з'єднується з кодоном, і в цьому полягає «впізнавання» кодону, що визначає амінокислоту, яка повинна бути приєднана до зростання ланцюга білка. Різних тРНК в клітині є, як мінімум, 20 - за кількістю амінокислот.
На 3'-кінці всіх тРНК варто трійка нуклеотидів ЦЦА. До неї спеціальний фермент, «аміноацил-тРНК-синтетаза», Коваль-ремонтної зв'язком приєднує амінокислоту, відповідну антикодоном цієї тРНК. Утворюється молекула «аміноацил-цил-тРНК». Домовимося для стислості позначати її аа-тРНК. Процеси «пізнавання» кодону і синтезу білка відбуваються в рибосоме. Її утворюють дві субодиниці - мала і велика. Сумарний їх діаметр близько 25 миллимикрон. У кожній з субодиниць є набір специфічних білків і молекули великих рибосомних РНК: одна - в малій субодиниці та дві (а у еукаріотів три) - у великій. Молекулярні ваги цих pPHK лежать в діапазоні 0,5-1,5 мільйона дальтон (від 1541 до 4718 нуклеотидів). Малі pPHK рибосом (є й такі) мають довжину всього 120-160 нуклеотидів.
Білки рибосом, загальною кількістю близько 55-ти (в середньому) у прокаріотів і 83-х у еукаріотів забезпечують послідовність етапів біосинтезу кінцевого білка: посадку рибосоми на іРНК, її просування вздовж матриці, перекидання зростання ланцюга білка з однієї молекули тРНК на іншу, закінчення трансляції і зняття рибосоми з матриці іРНК. У цих процесах беруть участь і деякі білки цитоплазми, тимчасово зв'язуються з рибосомою - так звані «фактори» ініціації, елонгації і термінації білкового синтезу.
Рибосоми еукаріотів значно більше, ніж у бактерій. Можлива посадка на іРНК і декількох рибосом, наступних один за одним. Така комбінація іменується «полисомой».
У клітці E.coli налічується близько 20 тисяч рибосом. Місце приєднання рибосом до іРНК для E.coli відомо. Це - послідовність АГГАГГУ-З, розташована на 10 нуклеотидів раніше АУГ - початкового кодону для синтезу білка. Вважають, що 3'-кінець рРНК малої субодиниці рибосоми E.coli комплементарний до цієї послідовності.
Щодо рибосом вищих організмів вважають, що вони сідають довільно з боку 5'-кінця мРНК, а потім «ковзають» по ній до тих пір, поки не зустрінуть ініціаторний кодонАУГ в спеціальному оточенні: АЦЦАУГГ.
Нам відомо, що субодиниці рибосом (мала і велика) синтезуються порізно. Посадку рибосоми на визначене для неї місце на іРНК здійснює мала субодиниця. Велика субодиниця до неї потім приєднується. Зняття рибосоми з матриці іРНК, очевидно, здійснюється шляхом роз'єднання субодиниць. Перед цим у рибосому замість чергової аа-тРНК входить якийсь спеціальний білок (RF-release factor). Він витісняє з рибосоми що залишається в ній частину поліпептидного ланцюжка білка. У еукаріотів частина рибосом за своєю великою субодиницею зв'язується з внутрішньоклітинними мембранами. Синтезовані ними білки потрапляють в апарат Гольджі і секретуються клітиною назовні. Рибосоми в цитоплазмі забезпечують власні потреби клітини. Після завершення синтезу поліпептидного ланцюга білка починається Посттрансляційна трансформація білка, зокрема, його згортання в глобулу. (Втім, не виключено, що для великих білків це згортання починається ще в процесі трансляції.) Згортання білків у клітині сприяють ще й спеціальні білки - «помічники». В англійській термінології вони іменуються «molecular chaperones» (компаньйони). Короткі білки (менше 300 амінокислот) легко згортаються в одну компактну структуру - «домен». Великі білки еукаріотів іноді згортаються в два або три домени, пов'язаних короткими відрізками поліпептидного ланцюжка. Трансформація білка перед його згортанням може включати в себе і хімічну модифікацію деяких амінокислот: приєднання Сахаров або ліпідів - особливо для білків мембран. Можливі й деякі укорочування поліпептидного ланцюга екзопептидаза (в інтересах кращого згортання) і т. д. Повернемося тепер до більш докладного аналізу центрального процесу - синтезу поліпетідной ланцюга білка в рибосоме по матриці іРНК. Основні уявлення про цей процес були викладені вище. Але в цих уявленнях є чимало прихованих «темних місць». Я попереджаю: все наступне є гіпотезою автора, яку я пропоную для критичного розгляду своїм учням. На рис. зображена рибосома у двох розрізах. Я припускаю, що у великій субодиниці є два канали К1 і К2.
MET
Рис.
Ліва схема - розріз рибосоми площиною, перпендикулярної до іРНК, що проходить через вертикальний канал Кр іРНК тут зображена маленьким кружком з перехрестям. На правому розрізі її видно, як вузька смужка, де кодони відзначені рисками. Це - розріз площиною, що проходить через іРНК і обидва канали. З зіставлення розрізів видно, що горизонтальний канал має витягнуте вниз розтин. Вертикальний канал - круглий. Пронумеровані половинки еліпсів зображують молекули тРНК. Їх прямолінійні ділянки - антикодоном. Чорна точка у вершини напівеліпса - амінокислота. Ланцюжок чорних крапок, що виходить з Ki - новосинтезованих фрагмент білка. Нижня точка на цьому ланцюжку - метіонін, з якого починався синтез білка.
Рибосома просувається вздовж іРНК зліва направо стрибками - відразу на цілий кодон. (Напрям руху 5'-3 '). Зображено момент, коли такий стрибок тільки-но закінчився. Звільнена тРНК № 1 залишає рибосому. На тРНК № 2, що перебуває в «сайтi» П, сидить уже синтезований фрагмент білка. На тРНК № 3 (в сайті А) - наступна аміноацил-тРНК. аа-тРНК № 4 тільки входить у канал Kg, вона ще не зблизилася зі «своїм» кодоном.
Під час наступного стрибка рибосоми вправо остання аа-тРНК підійде до цього кодону, «впізнає» його і виявиться в сайті А, в тому положенні, яке на малюнку займає аа-тРНК № 3. У цей же час весь фрагмент білка відірветься від тРНК № 2 і приєднається пептидного зв'язком до амінокислоті, принесеної тРНК № 3, а сама ця тРНК вже виявиться в сайті П - над вертикальним каналом К1 - у положенні, яке на малюнку займає тРНК № 2. Ланцюг білка подовжиться тим самим на одну ланку. «Відпрацьована» тРНК № 2 відірветься від свого кодону і почне виходити з рибосоми.
Тепер звернемося до проблеми генетичного коду.
Нагадаю, що з 64-х триплетних кодонів в іРНК три кодон (УАА, УАГ і УГА) диктують закінчення синтезу білка і зняття рибосоми з іРНК. Решта кодони «значущі», тобто диктують приєднання до синтезується ланцюга білка певних амінокислот. Треба розібратися в цій «визначеності». Ми знаємо, що генетичний код - вироджений. 61 кодон іРНК розпоряджається включенням до білок всього 20-ти амінокислот. Було навіть відмічено, що на кожну амінокислоту припадає по 3 кодону. Насправді розподіл аж ніяк не таке рівномірне.
Амінокислоту лейцин визначає цілих 6 кодонів (для простоти викладу не буду їх перераховувати). Такий же надлишок кодонів виявляється для серину і аргініну. П'ять амінокислот (гли, Вал, Про, Ала і Тре) кодуються з чотирикратним ізбиті-кім. Ізолейцин відповідають 3 кодону. Для метіоніну існує тільки один кодон (АУГ). Таке ж суворе відповідність має місце для триптофану, У решти дев'яти амінокислот є по 2 кодону.
У чотириразово, що втричі і двократно вироджених кодонів спостерігається різниця тільки в останньому (рахуючи по напрямку руху рибосоми), третьому нуклеотиді кодону. Нерідко припускають, що цей нуклеотид не відіграє суттєвої ролі і ... 41 кодон «погоджується» з такою зневагою. Для «шестиразового виродження» чотирьох нуклеоті-дів, які можуть займати третє положення у кодоні, вже недостатньо. Для Арг і Лей доводиться додатково визнати неістотність і першого нуклеотиду їх кодонів. Ще гірші справи з серину. Два з шести кодонів відрізняються від інших чотирьох вже в першому і другому йуклеотідах. Щось занадто багато несуттєвого! Природа цього не терпить.
У твердженні про неістотності настільки багатьох нуклеотидів в кодонах мовчазно передбачається, що транспортних тРНК є тільки 20 - за кількістю амінокислот (і у кожної - тільки один з «дозволених» антикодоном). Чи так це? Бути може виродження має місце і для тРНК («ізоакцепторними тРНК»)? Тобто, для доставки аргініну, лейцину і серину у рибосому існує по шість різних тРНК з різними можливими для цих амінокислот антикодоном. Далі аналогічно - по чотири, три і дві різних тРНК. І тільки для метіоніну і тріп-Тофан - по одній. У цьому випадку повинні існувати 61 різних тРНК. Експериментальні дані свідчать на користь такого припущення.
«Ізоакцепторними», тобто різних, але що приєднують до себе одну і ту ж амінокислоту транспортних РНК є не менше 59-ти. (За деякими підрахунками їх ще більше, але це вимагає перевірки, оскільки сумарні цифри отримували із сукупності робіт різних авторів). Ізоакцепторними тРНК для однієї амінокислоти виявляють методом колонкової хроматографії, з яким ми будемо знайомитися пізніше.
Але якщо транспортних РНК стільки ж, скільки кодонів, то кожен кодон «впізнається» ними цілком і ніяких нуклеотидів, не грають істотної ролі в кодонах, немає.
При вивченні транспортних РНК виникає ще одне питання, на яке поки що ніхто не відповів. На відміну від всіх інших РНК, транспортні РНК обов'язково мають у своїй первинній структурі «модифіковані» нуклеотиди. Іноді це тільки приєднання до нуклеїнових основ метильної групи (СНД). А іноді - досить великих атомардих конструкцій, розміром трохи чи не в саму основу. У різних тРНК модифікації різні і модифіковані нуклеотиди розташовані в різних місцях. Чим організм складніше, тим модифікованих нуклеотидів в його тРНК більше. Навіщо вони?
Я пропоную обговорити досить сміливу гіпотезу. Молекула тРНК компактна. У ній багато спарених нуклеотидів («шпильок»), утворених зв'язуванням віддалених один від одного за одиночної нитки тРНК, але комплементарних, ділянок. Можна стверджувати, що кожна молекула тРНК має цілком певну й досить жорстку просторову форму. Модифікація деяких нуклеотидів в молекулі, природно, впливає на цю форму. У вищих організмів таких модифікацій досить багато, щоб мати право припустити відмінність просторових форм усіх ізоакцепторними тРНК.
Тепер повернемося до рис. 29. Ми бачимо, що аа-тРНК № 4 тільки починає входити в канал Kg. Зв'язатися зі своїм код оном, «впізнати» його вона може тільки усередині каналу. Помилки при проникненні в Kg різних аа-тРНК, очевидно, небажані-адже невідповідною аа-тРНК довелося б повертатися з рибо-соми назад в цитоплазму. (Так і незрозуміло яким чином - адже для рибосоми руху у зворотний бік бути не може.) А що, якщо об'ємна форма тРНК служить «перепусткою» в канал? У цьому випадку конфігурація входу в канал повинна «дихати» - перебудовуватися під впливом кожного «очікування» кодону, як би що подає на вхід команду для пропуску підходящої тРНК. Занадто складно? Але не дарма ж у рибосомах еукаріотів майже вдвічі більше різних білків, ніж у прокаріотів. (Принцип роботи рибосом, напевно, в обох випадках однаковий, але проблеми регулювання біосинтезу білка, як ми побачимо, у еукаріотів значно складніше.)
Всі ці міркування наведена тут для ілюстрації того, як народжується (і перевіряється) наукова гіпотеза. Для майбутніх дослідників у галузі молекулярної біології раннє знайомство з логікою побудови такої гіпотези, я вважаю дуже корисним.
У зв'язку з викладеним матеріалом має сенс по-новому поглянути на механізм регулювання білкового синтезу, особливо у вищих організмів. На класичному прикладі лак-оперону E.coli Жакоб і Моно запропонували знайому вам концепцію, в якій беруть участь «оператор», керуючий дозволом транскрипції структурних генів. Перед оператором стоїть «ген-регулятор». Він здатний вести синтез білка-репрессора, який зв'язується з оператором. У свою чергу приходить ззовні в клітину молекула-«активатор» може зв'язати репрессор. Регулювання синтезу білків відбувається на рівні транскрипції ДНК-синтезу іРНК. Це добре для бактерій, де вся ДНК більш-менш доступна для зчитування спадкової інформації протягом усього часу життя клітини. При виникненні необхідності напрацювання нового ферменту, наприклад, при зміні живильного середовища, РНК-полімераза легко може зняти багато копій іРНК з потрібної ділянки геному бактерії.
ДНК вищих організмів сверхскручена дуже тісно, дуже щільно упакована. Доречно сказати кілька слів про спосіб цієї упаковки. Геном людини, наприклад, налічує близько 3-х мільярдів пар основ (рахуючи по гаплоїдному набору хромосом). У вступі було згадано, що відстань між сусідніми парами в спіралі ДНК - приблизно 0,34 міллімікронов. Звідки випливає, що повна довжина «молекули» ДНК у людини становить 1 метр! Як таку довжину вмістити в ядрі клітини? Однак навіть побутової досвід підказує, що дуже довгу, але дуже тонку нитку можна скрутити в крихітний клубок. (Ще древні греки вміли виготовлятися настільки тонкі нитки, що виткане з них сукню можна було протягнути через кільце для пальця.) Але хаотичний клубок непридатний. Його важко розплутати. А згортання ДНК має бути добре організовано, хоча б для того, щоб швидко здійснити редуплікацію всієї молекули.
Для цієї мети служать спеціальні білки - «гістони», тісно пов'язані з ДНК. Зв'язок ця не ковалентний, а електростатична. Всі гістони (їх налічується 5 типів) - суть багаті лізином і аргініном «лужні» білки. У нейтральному середовищі вони несуть досить великий позитивний заряд, за рахунок якого притягуються до негативно зарядженим залишкам фосфорної кислоти в ДНК. Гістони для впорядкування згортання молекул ДНК грають роль, подібну до ролі котушки для ниток. На електронних мікрофотографіях вдається розгледіти частково розгорнутий дезоксірібонуклеопротеін (ДНП), як іменують комбінацію ДНК з гістонами, у вигляді нитки, діаметром близько 2 тц, на якій тісно розташовані свого роду намистинки - «нуклеосоми». Вважають, що основу кожної нуклеосоми становить октамер з восьми молекул гістонів (4-х типів), утворює подобу осердя, на який навита двухнитевой спіраль ДНК, утворюючи два витки загальною довжиною в приблизно 150 пар основ. Лінійний відрізок довжиною близько 50 пар основ з'єднує сусідні нуклеосоми.
Більше того. У нативному стані і ця «нитка з намистинками» згортається в щільну котушку (на кшталт соленоїда), діаметром близько 30 тц. Ланцюжок таких котушок утворює хромосому. Синтез нових іРНК на матриці такий ДНК, швидше за все, можливий тільки під час клітинного ділення, коли мембрана ядра зникає, щільна упаковка розвертається і хромосомний матеріал займає майже весь обсяг клітини.
Якщо це так, то запас іРНК «на всі випадки життя» в клітинах еукаріотів повинен залишатися незмінним. На користь такого припущення говорить той раніше згаданий факт, що у вищих організмів іРНК з'являється в цитоплазмі пов'язаної з якимсь (може бути захисним) білком у вигляді «інформосоми». Але як же регулюється синтез різних білків iio міру їх потреби? Адже харчування клітини через кров теж залежить від споживаної їжі.
Ось тут-то виявляється потенційна цінність вирожденність генетичного коду та модифікації нуклеотидів ізоак-цепторних тРНК.
Припустимо, що у деяких іРНК, що кодують синтез різних білків, амінокислоті серії в якомусь одному випадку відповідає один певний код він, а в інших випадках - хоч всі інші п'ять дозволених кодонів. Припустимо далі, що в даний момент в клітці в активному стані, тобто в стані готовності брати участь у білковому синтезі, відсутній або дуже слабко представлена ізоакцепторними тРНК серину, впізнають саме цей відзначений нами кодон. Тоді всі іРНК, в яких він використовується, не будуть транслюватися і відповідні білки синтезуватися. Решта іРНК, які не використали для включення серину наш «нещасливий» кодон транслюватимуться нормально.
А що значить «готовність брати участь у білковому синтезі»? Це означає повну модифікацію всіх підстав, які повинні бути модифіковані саме в цій тРНК. Адже від повноти модифікації залежить об'ємна форма молекули тРНК і можливість «пропуску» її в рибосому.
І така можливість заборони або дозволу трансляції, а значить і синтезу відповідних білків має місце для 59-ти значущих кодонів з 61-го. Очевидно, що можливості регулювання білкового синтезу відкриваються колосальні. Регулювання синтезу білків переноситься на рівень трансляції - зчитування інформації з іРНК. Нарешті, хто здійснює модифікацію новостворених молекул тРНК? Спеціальні ферменти. Їх же активність, у свою чергу, може стимулюватися або придушуватися факторами, які надходять у клітину ззовні.
Це - ще одна гіпотеза, ще один матеріал для дискусії!
Є одне непряме свідчення на користь запропонованої гіпотези, яке можна побачити в опублікованих нещодавно відомостях про те, що дозволена вирожденність генетичного коду для деяких амінокислот використовується аж ніяк не рівномірно.
У книзі Т. A. Bronk «Genomes» (1999 р.) наведена, зокрема наступна таблиця частоти використання кодонів для трьох амінокислот, отримана узагальненням великого матеріалу в порівнянні розшифрованих генів з амінокислотними послідовностями кодованих ними білків:
Як випливає з цієї таблиці, деякі кодони в кожному випадку використовуються рідко - можливо для рідко синтезованих білків. Інші ж кодони, як «робочі конячки» використовуються чи не вдвічі частіше, ніж середовищ невероятностние 25%.
І така можливість заборони або дозволу трансляції, а значить і синтезу відповідних білків має місце для 59-ти значущих кодонів з 61-го. Очевидно, що можливості регулювання білкового синтезу відкриваються колосальні. Регулювання синтезу білків переноситься на рівень трансляції - зчитування інформації з іРНК. Нарешті, хто здійснює модифікацію новостворених молекул тРНК? Спеціальні ферменти. Їх же активність, у свою чергу, може стимулюватися або придушуватися факторами, які надходять у клітину ззовні.
Це - ще одна гіпотеза, ще один матеріал для дискусії!
Є одне непряме свідчення на користь запропонованої гіпотези, яке можна побачити в опублікованих нещодавно відомостях про те, що дозволена вирожденність генетичного коду для деяких амінокислот використовується аж ніяк не рівномірно.
У книзі Т. A. Bronk «Genomes» (1999 р.) наведена, зокрема наступна таблиця частоти використання кодонів для трьох амінокислот, отримана узагальненням великого матеріалу в порівнянні розшифрованих генів з амінокислотними послідовностями кодованих ними білків:
| Амінокислота | Кодони | Частота використання |
| ГЦА | 22% | |
| Аланін | ГЦЦ ГЦГ | 41% [І%] |
| ГЦТ | 26% | |
| АЦА | 27% | |
| Треонін | АЦЦ | 38% |
| АЦГ | Li2% J | |
| АЦТ | 23% | |
| ГТТ | | 11% 1 | |
| Валін | ДТА | 25% |
| ГТЦ | 48% | |
| ГТГ | 16% |
Література
1 Барановський П.В., Мельник І.А. Взаємозв'язок порушень загального холестерину і холестерину ліпопротеїдів в сироватці крові хворих на інфаркт міокарда. / / Кровообіг. -1987. -Т.ХХ. -N 2.-С.17-19
2 Баркаган З.С. Геморагічні захворювання та синдроми. М., Медіціна.-1988.-528с.
3 Башкаревіч Н.А. Фізіологія та фармакологія терморегуляції. Мінськ. -1985. -Вип. 2. -С.128-134.
1 Барановський П.В., Мельник І.А. Взаємозв'язок порушень загального холестерину і холестерину ліпопротеїдів в сироватці крові хворих на інфаркт міокарда. / / Кровообіг. -1987. -Т.ХХ. -N 2.-С.17-19
2 Баркаган З.С. Геморагічні захворювання та синдроми. М., Медіціна.-1988.-528с.
3 Башкаревіч Н.А. Фізіологія та фармакологія терморегуляції. Мінськ. -1985. -Вип. 2. -С.128-134.