Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985
Молекулярные механизмы передачи генетической информации
Синтез белка и его регуляция
Краткое содержание главы
Чтобы принять участие в синтезе белка, сначала аминокислоты активируются в цитозоле с помощью специфических аминоацил-тРНК-синтетаз. Эти ферменты катализируют образование эфирной связи между аминоацильным остатком и соответствующей тРНК, сопровождающееся расщеплением АТР до АМР и пирофосфата. тРНК содержат от 73 до 93 нуклеотидных остатков, часть из которых включает модифицированные основания. Молекулы тРНК имеют в своем составе акцепторную ветвь с концевой последовательностью (З') А-С-С- (к которой эфирной связью присоединяется аминокислота), антикодоновую ветвь.
Рис. 29-28. Структура промотор-операторной области lac-оперона Е. coli. Показана нуклеотидная последовательность обеих цепей ДНК, начиная с последних 15 оснований регуляторного (і) гена и кончая первыми девятью основаниями гена z. Видно, что промотор перекрывает оператор. Участок связывания комплекса САР-сАМР состоит приблизительно из 38 оснований, а участок первоначального связывания РНК-полимеразы - приблизительно из 40 оснований. Участок связывания lаc-репрессора в операторе содержит около 28 пар оснований и характеризуется симметрией второго порядка.
ТψС-ветвь и дигидроуридиловую ветвь; некоторые тРНК содержат пятую добавочную ветвь. Тройка нуклеотидов в тРНК (триплет), образующая антикодон, отвечает за специфичность взаимодействия аминоацил-тРНК с комплементарным кодоновым триплетом в мРНК. Рост полипептидной цепи на рибосомах начинается с N-концевой аминокислоты и продолжается в результате последовательного добавления новых остатков к С-концу. Прокариоты содержат 70S-рибосомы, состоящие из большой 50S- и малой 30S-субчастиц. Эукариотические рибосомы значительно крупнее и содержат больше белков, чем прокариотические.
У бактерий инициирующим N-концевым остатком во всех белках служит N-формилметионил-тРНК. Она образует комплекс с фактором инициации (IF-2), 30S-рибосомной субчастицей, мРНК и GTP; этот сложный комплекс взаимодействует с 50S-субчастицей, формируя инициирующий комплекс с одновременным расщеплением GTP до GDP и отделением IF-2. На следующих за этим этапах элонгации необходимо присутствие GTP и трех факторов элонгации, участвующих в присоединении поступающей аминоацил-тРНК к аминоацилсвязывающему участку рибосомы (А-участку). В ходе пептидилтрансферазной реакции остаток формилметионина переносится на аминогруппу вновь поступившей аминоацил-тРНК. Удлиненная таким образом пептидил-тРНК перемещается с аминоацильного на пептидильный участок рибосомы; этот процесс требует гидролиза GTP. После многократного повторения таких циклов элонгации происходит терминация полипептидной цепи, осуществляемая с помощью так называемых рилизинг-факторов. Синтез белка происходит в полирибосомах - комплексах, состоящих из нескольких или большого числа рибосом, прикрепленных к молекуле мРНК; каждая из рибосом считывает мРНК и синтезирует белок независимо. На образование каждой пептидной связи расходуются по меньшей мере четыре высокоэнергетические фосфатные связи; вероятно, это необходимо для гарантии точности трансляции.
Кодоны для аминокислот представляют собой специфические тройки нуклеотидов (триплеты). Нуклеотидная последовательность в кодонах была установлена в результате экспериментов с использованием синтетических мРНК известного нуклеотидного состава и известной нуклеотидной последовательности. В аминокислотном коде почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодовых слов. Третья буква каждого кодона гораздо менее специфична, чем первые две: про нее говорят, что она “качается”. Стандартные слова генетического кода, вероятно, универсальны для всех организмов, правда в митохондриях человека найдены кодоны, значение которых отличается от универсального. Инициирующая аминокислота N-формилметионин кодируется кодоном AUG, причем для ее взаимодействия с этим кодоном необходимо наличие с 5'-стороны от AUG инициирующего сигнала с повышенным содержанием А и G. Триплеты UAA, UGA и UAG не кодируют никакую аминокислоту, они служат сигналами терминации полипептидной цепи. В некоторых вирусных ДНК одна и та же нуклеотидная последовательность может кодировать два разных белка, мРНК для которых транскрибируются с использованием разных рамок считывания.
Синтез белка у прокариот регулируется главным образом на уровне транскрипции ДНК, т. е. на уровне образования мРНК. Транскрипция группы метаболически связанных между собой генов регулируется путем присоединения (или отделения) особого белка — репрессора к операторному участку ДНК. Оператор и группа связанных друг с другом генов вместе составляют оперон. Tранскрипция такой группы генов может индуцироваться специфическим питательным субстратом, например лактозой. Лактоза может связывать репрессор и вызывать тем самым его отделение от оператора. Благодаря этому разрешается транскрипция генов, кодирующих белки, необходимые клетке для использования лактозы в качестве источника углерода и энергии. Некоторые опероны имеют также промоторный участок, содержащий регуляторную часть - так называемый СAP-участок; последний предназначен для связывания комплекса, образованного белком, активирующим катаболитный ген (САР), и сАМР. Этот комплекс, формирующийся при отсутствии в среде глюкозы, дает возможность РНК-полимеразе присоединиться к месту инициации транскрипции генов, ответственных за катаболизм лактозы.
ЛИТЕРАТУРА
Активация аминокислот
Rich A., Kim S. Н. The Three-Dimensional Structure of Transfer RNA, Sci. Am., 238, 52-62, January 1978.
Schimmel P. R. Understanding the Recognition of Transfer RNAs by Aminoacyl Transfer Synthetases, Adv. Enzymol., 49, 187-222
(1979).
Рибосомы
Nomura M. Assembly of Bacterial Ribosomes, Science, 179, 864—873 (1973).
Wittman H.G. Structure and Function of E. coli Ribosomes, Fed. Proc., 36, 2025—2080 (1977).
Этапы инициации, элонгации и терминации белкового синтеза
Weissbach Н., Pestka S.(eds.). Molecular Mechanisms of Protein Biosynthesis, Academic, New York, 1977. Обзорные статьи по различным вопросам белкового синтеза.
Генетический код
Barreil B.G., Air G.M., Hutchinson С. А., III. Overlapping Genes in Bacteriophage фХ174, Nature, 264, 34-40 (1976).
Crick F.H.C. The Genetic Code III, Sei. Am., 215, 55-62, October 1966.
Fiddes J. C. The Nucleotide Sequence of a Viral DNA, Sei. Am., 237, 54-67, December 1977.
Hall B. D. Mitochondria Spring Surprises, Nature, 282, 129-130 (1979). Исключения из принципа универсальности генетического кода.
Nirenberg М. The Genetic Code II, Sci. Am., 208, 80-94, March 1963. Описание первых экспериментов по расшифровке генетического кода.
Регуляция экспрессии генов
Brown D. D. Gene Expression in Eukaryotes, Science, 211, 667-674 (1981).
Lewin В. Gene Regulation II, 2nd ed., Wiley, New York, 1980. Книга содержит большое количество информации по проблеме регуляции у эукариот.
Maniatis Т., Ptashne М. A DNA OperatorRepressor System, Sci. Am., 234, 64-76, January 1976.
O’Malley В. W. et al. The Ovalbumin Gene: Organization, Structure, Transcription, and Regulation, Recent Progr. Horm. Res., 35, 1-42 (1979).
Pastan I. Cyclic AMP, Sci. Am., 227, 97-105, August 1972.
Специальные вопросы
Palade G. Intracellular Aspects of the Process of Protein Synthesis, Science, 189, 347-357 (1975).
Yarus M. Accuracy of Translation, Progr. Nucleic Acid Res., 23, 195-225 (1979).
Вопросы и задачи
1. Трансляция мРНК. Предскажите аминокислотную последовательность пептидов, синтезируемых в рибосомах в присутствии следующих матриц, считая, что считывание начинается с первого триплета на левом конце.
а) GGUCAGUCGCUCCUGAUU
б) UUGGAUGCGCCAUAAUUUGCU
в) CAUGAUGCCUGUUGCUAC
г) AUGGACGAA
2. Можно ли, исходя из аминокислотной последовательности полипептида, предсказать нуклеотидную последовательность его мРНК? Данная нуклеотидная последовательность в мРНК кодирует при строго определенной рамке считывания одну и только одну последовательность аминокислот в полипептиде. Можно ли, исходя из данной последовательности аминокислотных остатков в белке, например в цитохроме с, предсказать нуклеотидную последовательность единственной мРНК, кодирующей этот белок? Обоснуйте ваш ответ.
3. Сколько разных мРНК может кодировать одну аминокислотную последовательность? В качестве дополнительной иллюстрации к рассмотренному в предыдущей задаче вопросу напишите все возможные последовательности мРНК, которые способны кодировать простой трипептид Leu-Met-Туt: Ответив на этот вопрос, вы получите некоторое представление о числе разных мРНК, которые могут кодировать один полипептид.
4. Кодирование полипептида двухцепочечной ДНК. Транскрибируемая цепь двухцепочечной ДНК содержит последовательность
(5) CTTAACACCCCTGACTTCGCGCCGTCG
а) Какая последовательность мРНК может транскрибироваться с этой цепи?
б) Какая аминокислотная последовательность могла бы кодироваться этой последовательностью при считывании с 5'-конца?
в) Предположим, что другая цепь этой ДНК тоже транскрибируется, а полученная мРНК транслируется. Совпадает ли полученная аминокислотная последовательность с последовательностью, которую вы привели в ответе на вопрос б)? Объясните биологическое значение ваших ответов на вопросы б) и в).
5. Метионину соответствует только один кодон. Метионин - одна из двух аминокислот, которым соответствует всего один кодон. Этот единственный кодон метионина может кодировать как инициирующий остаток, так и внутренние остатки метионина в полипептидах, синтезируемых Е. coli. Объясните, каким образом это происходит.
6. Синтетические мРНК. Каким образом вы синтезировали бы полирибонуклеотид, который можно было бы использовать в качестве мРНК, кодирующей преимущественно остатки фенилаланина и небольшое число остатков лейцина и серина? Какие еще аминокислоты, но в гораздо меньших количествах, кодировались бы таким полирибонуклеотидом?
7. Непосредственные энергетические затраты при биосинтезе белка. Определите минимальные энергетические затраты (в расчете на число высокоэнергетических фосфатных групп), необходимые для биосинтеза ß-глобиновой цепи гемоглобина (146 остатков) из всех аминокислот, АТР и GTP. Сравните ваш ответ с расходами энергии на биосинтез линейной цепи гликогена, включающей 146 остатков глюкозы, соединенных а(1→4)-связью, и синтезируемой из глюкозы в присутствии АТР. Какова, исходя из ваших ответов, дополнительная энергетическая стоимость ß-глобиновой молекулы, обусловленная тем, что в отличие от гликогена при ее построении необходимо реализовать определенную генетическую информацию?
8. Непрямые затраты на синтез белка. Наряду с непосредственными энергетическими затратами на синтез белка, рассмотренными в предыдущем вопросе, клетка производит и непрямые затраты энергии, связанные с образованием требуемых для синтеза белка биокатализаторов. Сопоставьте факторы, определяющие непрямые расходы, которые приходится нести эукариотической клетке при синтезе линейных а(1→4)-цепей гликогена и при биосинтезе полипептидов.
9. Предсказание антикодонов, исходя из кодонов. Большинству аминокислот соответствует больше чем один кодон, больше чем одна тРНК и больше чем один антикодон. Напишите все возможные антикодоны для четырех глициновых кодонов: (5) GGU (3), GGC, GGA и GGG.
а) На основании вашего ответа скажите, какие из положений антикодона определяют в первую очередь его специфичность в случае глицина?
б) Какие из кодон-антикодоновых пар содержат “качающуюся” пару оснований?
в) В какой из кодон-антикодоновых пар все три пары оснований образованы за счет прочных уотсон-криковских водородных связей?
г) Использование какой из кодон-антикодоновых пар в биологическом синтезе белка наименее вероятно? Почему?
10. Необычная тРНК. Недавно была обнаружена тРНК, антикодон которой узнает и связывает тетрануклеотидную последовательность мРНК. Предскажите, как повлияет на аминокислотную последовательность полипептида участие этой необычной тРНК в его синтезе.
11. Как влияет изменение одного основания в мРНК на аминокислотную последовательность полипептида? Очень важные доказательства, подтверждающие правильность расшифрованного генетического кода, были получены при изучении природы мутаций, приводящих к замене одного остатка в аминокислотной последовательности белка. Какая из перечисленных ниже замен одной аминокислоты на другую согласуется с генетическим кодом? Какая из замен не может быть результатом изменения одного-единственного основания в мРНК? Почему?
а) Phe → Leu
б) Lys → Ala
в) Ala → Thr
г) Phe → Lys
д) Ile → Leu
е) His → Glu
ж) Pro → Ser
12. Причина мутации, приводящей к образованию серповидных эритроцитов. В гемоглобине серповидных эритроцитов в 6-м положении ß-глобиновой цепи вместо глутаминовой кислоты (присутствующей в нормальном гемоглобине А) обнаружен валин. Какое изменение, произошедшее в кодоне для глутаминовой кислоты, привело к ее замене на валин?