Биохимия Р.Марри

90		Глава 39
	ЭКЗОН а	ЭКЗОН Ь
5'-конец гяРНК		A-G G	З'-конец гяРНК
	.-..........,,. ........ .
	• ~.U-G G-A-C-U-Y_ У_
\).G·~_U-~-С-С-U-G-А-G-G_cr-lJ-"'_lJ
/ ~...С			~-G-.<4,,
/			\
~			..;.
"v			1-

~

(о

~

с

Интрон

Рис. 39.11. Предполагаемый механизм илентификации сайта сплайсинга при удалении интронов из гяРНк. 5'-Конеп

мяРНК U 1 образует комплементарный комплекс с дистальным концом консенсусной последовательности сайта сплай­

синга на 3 -конце экзона а. Другой конец U l-PHK взаимодействует с консенсусным сайтом сплайсинга экзона Ь. Структура,

обозначенная линией точек, вырезается, и молекула сшивается по остаткам G (затемненный прямоугольник).

@GU	и	д	дG-G
	П-----iI

J

GU	---___11П----	д----	дG-Q
	и

!

		C
а	ь	'b/AG
		v~

Рис. 39.12. Предполагаемый путь сплайсинга пре-мРНк.

Расщепление в 5'-сайте сопровождается образованием пет­ ли и последующим ее высвобождением за счет отщепления

от экзона Ь. Интрон изображен линией. экзоны а и Ь­

квадратами. Эти реакции происходят при участии мяРНК и пре-мРНК, объединенных в прочный комплекс, входящий в состав рибонуклеопротеиновой структуры, которая получила название «сплаЙсосома».

довательностей используются разные сайты сплай­

синга. Другой пример альтернативного сплайсин­

га- образование молекул мРНК. кодирующих две тяжелые цепи иммуноглобулинов. Одна молекула мРНК кодирует мембраносвязанную тяжелую цепь,

а другая-секретируемую тяжелую цепь (см. гл. 41).

Таким образом, сплайсинг необходим для формиро­

вания зрелых молекул мРНК и, кроме того, может

использоваться в качестве одного из механизмов

дифференциальной экспрессии генов.

Как оказалось, по крайней мере одна из форм f3-талассемии, болезни. при которой заметно снижен

уровень экспрессии одной из цепей гемоглобина,

является результатом нуклеотидной замены на гра­

нице интрон-экзон, что препятствует удалению ин­

трона и ведет к снижению или полному подавлению

синтеза J3-цепи.

Матричные РНК (мРНК)

Как упоминалось выше, молекулы мРНК млеко­

питающих содержат «кэпирующую» структуру на 5'-

конце и в большинстве случаев полиаденилатный «ХВОСТ» на 3'-конце. Кэпирующая структура добав­ ляется к мРНК в ядре до переноса мРНК в цитоплаз­

му. Структура polyA присоединяется к 3'-концу транскрипта либо в ядре, либо в цитоплазме. Вто­

ричное метилирование молекулы мРНК, в том числе 2'-гидроксильных групп И атомов N6 аденилатных

		Синтез и nроцессищ РНК		91
остатков, происходит после перехода молекулы			некоторых тРНК содержат единичный интрон дли­
РНК в цитоплазму. Этот процесс может протекать			ной 10---40 нуклеотидов, расположенный непосред­
и в ядре и играть определенную роль при сплайсин­			ственно перед участком, соответствующим антико­
ге. 5'-Кэпирующая структура, судя по всему. нужна			доновому плечу. Поэтому процессинг первичных
для образования нуклеопротеинового комплекса,			транскриптов многих тРНК-молекул должен вклю­
в свою очередь необходимого для осуществления			чать этап удаления интронов и точного сплайсинга
сплаЙсинга. Кроме	того,	она может участвовать	в кодон-узнающей области. Этот этап имеет крити­
в транспорте и инициации трансляции мРНК.			ческое значение для выполнения тРНК функции
Функция полиаденилатного «хвоста» мРНК не­			адапторных молекул при синтезе белка. Нуклеоли­
известна. Во многих случаях присутствие или отсут­			тический процессинr предшественников тРИК, по­
ствие poly А непосредственно не связано с транспор­			видимому, направляется не собственно нуклеотид­
том в цитоплазму, поскольку не все полиаденилиро­			ной последовательностью. а особой трехмерной
ванные гетерогенные ядерные РНК выходят в цито­			структурой, которую могут формировать молекулы
плазму и не все цитоплазматические мРНК­			тРНК, и потому реализуется только для молекул,
полиаденилированы.	В	клетках млекопитающих	способных к сворачиванию в определенные функ­
в ходе процессов, протекающих в цитоплазме, по­			циональные структуры.
лиаденилатные «хвосты» мРНК могут как удли­			Дальнейшие модификации молекул тРИК вклю­
няться, так и укорачиваться.			чают алкилирование нуклеотидов и присоединеиие ха­

Оборот polyA-содержащих мРНК в культиви­

руемых клетках млекопитающих - процесс первого

порядка со значением t'/2' близким к времени удвое­

ния количества клеток в культуре. Кинетика дегра­

дации гистоновых мРНК. не содержащих poly

А-структур, является процессом нулевого порядка,

для которого характерна зависимость распада от

возраста со временем жизни около 6 часов. Пока не­

ясно, связаны ли эти различия с наличием или отсут­

ствием концевых polyA-последовательностей или

с какими-то иными структурными особенностями

молекул мРНК этого КЩiсса.

Размер молекул цитоплазматических мРНК даже

после удаления poly А-цепочки остается значительно большим (часто в 2-3 раза), чем требуется для ко­ дирования соответствующего полипептида. Избы­

точные нетранслируемые области есть как на 5'-, так

и на 3'-концах транслируемого участка, причем, как

правило, 3'-нетранслируемая область достигает бо­ льшей длины. Точная функция этих последователь­

ностей неизвестна, есть основания считать, что они

участвуют в процессинге, транспорте, деградации

и трансляции РНК.

Транспортные РНК (тРНК)

Молекулы тРНК, как описано в гл. 37 и 40. вы­

полняют функцию адапторных молекул при транс­ ляции мРНК в белковые последовательности. Моле­

кулы тРНК содержат много необычных (<<минор­

ных») нуклеиновых оснований. Некоторые из них

представляют собой метилированные производные обычных оснований, другие-содержат нетради­ ционные гликозидные связи. Молекулы тРНК как

про-, так и эукариот первоначально транскрибирую­

тся в виде больших предшественников, которые ча­

сто содержат более одной молекулы тРНК, подвер­

гающихся иуклеолитическому процессинrу при дей­

рактерного ССА-триплета к 3'-концу молекулы. Этот

триплет служит точкой присоединения соответ­ ствующей аминокислоты, направляемой данной мо­ лекулой тРНК в реакцию синтеза полипептида. Ме­ тилирование предшественников тРНК млекопитаю­

щих происходит, вероятно. в ядре, а расщепление

и присоединение ССА-триплета-в цитоплазме. по­

скольку скорость оборота для концевой части тРНК

оказывается выше. чем для молекулы в целом. Для

присоединения аминокислоты к ССА-концу требу­

ются определенные ферменты цитоплазмы клеток

млекопитающих.

Рнбосомные РНК (рРНК)

В клетках млекопитающих молекулы рибосом­

ных РНК (двух основных и одной минорной) транс­ крибируются в составе большого общего первично­ го транскрипта (рис. 39.13). Процессинг этого транс­

крипта с образованием зрелых рРНК, транспорти­

руемых в цитоплазму, происходит в ядрыlllк,' где

собственно и ЛОКализованы сами гены рибосомных РНК. В каждой !Слетке присутствуют сотни копий

этих генов. Транскрипционные единицы содержат

последовательности 18S-. 5,8S- и 28S-рРНК, распо­

ложенные друг за другом в направлении 5' -+ 3'. Пер­ вичный транскрипт размером 45S подвергается ин­

тенсивному метилированию непосредственно в

ядрышке. В этом 4SS-предшествеинике участок. со­

ответствующий 28S-рРНК, содержит 65 метилиро­

ванных рибозных остатков и 5 метилированных ну­ клеиновых оснований. Метилирование идет только на участках, формирующих в дальнейшем зрелые молекулы рРНК. 45S-предшественник подвергается

нуклеолитическому процессингу, однако сигналы

процессинга заметно отличаются от соответствую­

щих сигналов в гяРНК. Вероятно, и механизм про­

цессинга также отличается от механизма нуклеоли­

ствии рибонуклеаз особого класса. Кроме того, гены тического процессинга при созревании гяРНК.

92

Глава 39

- ......)г- ТреНСI(РИПЦИ"

(

45S,пPlДWест_ннИI(

2 j

32S'ПPlдwест_ННИI(

JL", 1.

185 -!LL

-5.85 285

Рис. 39.13. Схема формирования зрелых рибосомных РНК в ходе процессинга молекул РНК-предшественников. Конеч­

ный продукт обозначен черными прямоугольниками. (Reproduced, with permission from Perry R. Р.: Processing of RNA Ап­ пи. Rev. Biochem. 1976, 45:605.)

Почти половина исходного первичного транс­ крипта (рис. 39.13) подвергается деградации. В ходе процессинга рРНК в ядрышках происходит дальней­ шее метилирование, и там же 28S-рРНК. связываясь

с рибосомными белками, формирует большую 60S-

субъединицу рибосомы. Молекула 5,8S-рРНК также образуется в ядрышке и входит составной частью в большую рибосомную субъединицу. Молекула 18S-рРНК в комплексе с набором соответствующих

полипептидов образует малую 40S-субъединицу ри­

босомы.

НУКЛЕАЗЫ

фермен"tыI, способные разрушать нуклеиновые

кислоты, известны давно. Существует несколько 'ва­

риантов их классификации. Ферменты, проявляю­ щие специфическую активность в отношении дезок­ сирибонуклеиновых кислот, называются дезоксири-

бонуклеазами. Те, что гидролизуют рибонуклеино­ вые кислоты, носят название рибонукмаз. Внутри

каждой из этих групп есть ферменты, расщепляющие внутрицепочечные фосфодиэфирные связи с образо­ ванием либо 3'-гидроксил-и 5'-фосфорил- либо, нао­

борот,-5'-гидроксил- и 3'-фосфорил-концов. Такие ферменты относятся к классу эвдонуклеаз. Некото­ рые из них способны гидролизовать обе цепи двухце­

почечных молекул, другие-расщепляют только од­

ну цепь нуклеиновых кислот. Существуют нуклеазы, способные гидролизовать только единичные цепи. не образующие дуплексной структуры, известны и та­ кие, которые расщепляют цепи, участвующие в обра­

зовании двойной спирали. Описан класс эндону­

клеаз, узнающих строго определенные последовате­

льности в ДНК; большинство из них - это рестрици­ рующие эвдонуклеазы (рестрвктазы), которые в по­

следние годы стали мощным инструментом в руках

Сu1tmез u nроцессипг РНК

93

исследователей, занимающихся проблемами генной ЛИТЕРАТУРА

инженерии.

Список некоторых известных. широко используе­ мых в настоящее время рестриктаз, приведен в табл.

36.1.

Некоторые нуклеазы способны отщеплять ну­ клеотиды только от свободных концов молекул- их

называют экзонуклеазами.

Экзонуклеазы могут гидролизовать молекулу ну­

клеиновой кислоты только в одном направлении

(3' -+ 5' или	5' -+ 3'). У	бактерий 3' -+ 5'-
экзонуклеаза-	необходимый	элемент системы ре­

пликации ДНК и служит для исправления ошибок спаривания, удаляя ошибочно встроенный в цепь ну­

клеотид.

Beathnach R., Chambon Р. Organization and expression of еи­ caryotic split genes coding for proteins, Аппи. Rev. Biochem., 1981. 50. 349.

Bush Н. et а/. SnRNAs, SnRNPs, ;t:ld RNA processing. Аппи. Rev. Biochem., 1982, 51, 617.

Chambon Р. Eukaryotic nuclear RNA polymerases. Аппи. Rev. Biochem., 1975, 44, 613.

Cordil1 J. et а/. Promoter sequences of eukaryotic proteincoding genes, Science, 1980. 209, 1406.

Nevins J. R. The pathway of eukaryotic mRNA formation, Ап­ пи. Rev. Biochem., 1983, 52. 441.

Ruskill В. et а/. Excision of ап intact intron as а novel lariat structure during pre-mRNА splicing in vitro. СеН. 1984. 38.317.

Sharp Р. А. Оп the origin of RNA splicing and introns, Сеll. 1985, 42, 397.

Глава 40

Синтез белка и генетический код

Дарил Греннер

ВВЕДЕНИЕ

Язык жизни - генетический код- основан на использовании алфавита, состоящего всего из четы­

рех букв: А, G, Т и С. Эти буквы соответствуют ну­

клеотидам, найденным в ДИК. ОНИ входят в состав

трехбуквенных кодовых слов, называемых кодонами.

Общий набор таких кодонов составляет генеmче­

ский код. Последовательность серии кодонов, распо­

ложенных в цепи ДИК образует определенный ген,

по которому как по матрице синтезируется молекула

РИК. Большинство молекул РИК участвует в том

или ином этапе синтеза белков. Синтез белка со­

стоит из трех основных этапов: инициации, элонга­

ции и терминации. Этот процесс во многом напоми­ нает репликацию и транскрипцию ДИК и так же

протекает в направлении 5' -+ 3'.

риот, где размер первичных РНК-тран­ скриптов- гетерогенных ядерных РНК (гяРИК) -значительно превышает размер зрелых мРНК. Последовательности гяРНК содержат кодирующие области (экзоны), из которых В дальнейшем обра­ зуются зрелые мРНК, и протяженные промежуточ­

ные некодирующие последовательности (нитроны), ра­

сположенные между экзонами. В результате пропес­ синга гяРНК, происходящего в ядре клетки, интро­ ны, часто составляющие большую часть гяРНК. уда­ ляются. При так называемом сплайсинге экзоны со­ единяются между собой и образовавшаяся зрелая мРНК поступает в питоплазму, где транслируется в белок.

Клетки должны обладать специальными меха­

низмами для точного, аккуратного и эффективного

перевода последовательности мРНК в соответ­

ствующую последовательность аминокислот коди­

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

До расшифровки генетического кода было невоз­ можно понять механизм синтеза белка и объяснить

происхождение мутаций. Открытие генетического

кода позволило ответить на вопрос о том, как связа­

ны между собой дефекты определенных белков чело­

века и наследственные заболевания. Кроме того,

благодаря расшифровке генетического кода были со­ зданы необходимые предпосылки для диагностики и лечения таких заболеваний.

руемого белка. Для уяснения молекулярных основ

этого процесса. названного трансляцией, недостава­

ло расшифровки генетического кода. Довольно ско­

ро стало ясно, что молекулы мРНК сами по себе не

обладают каким-либо сродством к аминокислотам,

и потому трансляция нуклеотидной последователь­ ности мРНК в белок требует наличия промежуточ­

ной адапторной молекулы. Эта молекула должна

узнавать, с одной стороны, специфическую последо­ вательность мРНК и, с другой - определенную ами­ нокислоту. С помощью такой молекулы клетка мо­

жет направлять определенную аминокислоту в соот­

ИНФОРМАЦИОННЬIЙ ПОТОК

Генетическая информация, закодированная в по­ следовательности нуклеотидов ДИК, транскриби­ руется в ядре в специфические нуклеотидные после­

довательности молекул РИК. Последовательность

нуклеотидов в РНК-транскрипте комплементарна

кодирующей цепи гена в соответствии с правилами

образования кемплементарных пар оснований.

у прокариот существует прямое соответствие ме­ жду геном, матричной РНК (мРНК) и белковым про­ дуктом. Сложнее ситуация 8 клетках высших эука-

ветствующее, диктуемое нуклеотидной последовате­

льностью мРНК, положение в молекуле синтезируе­ мого белка. Функциональные группы аминокислот сами по себе не вступают в непосредственный кон­ такт с mPHK-матрицеЙ.

KoдoHы И СИНТЕЗ БЕЛКА

в нуклеотидной последовательности молекулы

мРНК представлены кодоны для каждой аминоки­

слоты. В роли адапторов, транслирующих последо­

вательность кодонов в аминокислотную последова-

Синтез белка и генетичеСI\UЙ код

95

тельность белка, выступают молекулы транспортных РОК (тРНК). Внутриклеточный компонент, в кото­

ром сходятся и взаимодействуют все элементы меха­ низма трансляции белка, называется рибосомой.

Таблица 40.1. Генетический код (смысловое значение кодо­

нов в матричной РНК)\)

	Первый	Второй нуклеотид	Третий
	нуклеотид		нуклеотид

Множество рибосом могут одновременно трансли­

ровать одну и ту же цепь мРНК, образуя так назы­

ваемые полирибосомы (полисомы). Шероховатый

эндоплазматический ретикулум-это компартмент

клетки, в котором мембраносвязанные полисомы продуцируют как мембранные белки, так и белки,

подлежащие экскреции и транспорту. Полирибосом­

ные структуры присутствуют и В свободной фор­

ме-в цитоплазме, где они синтезируют внутрикле­

точные белки.

Длясинтезаклеточных белковнеобходимо 20 ами­

нокислот. Следовательно, должно быть по крайней

мере 20 различных кодонов, составляющих генетиче­ ский код. Так как мРНК состоит из нуклеотидов то­

лько четырех типов, каждый кодон должен состоять из более чем одного нуклеотида. КоДоны, состоящие

из двух нуклеотидов, могли бы обеспечить только 16 (42) различных кодонных вариантов, в то время как кодоны, состоящие из трех нуклеотИДов,-64 (43) ва­

рианта.

Из результатов серии исследований, начатых

Маттэи и Ниренбергом, мы знаем, что каждый ко­

дон состоит из трех нуклеотидов, иными словами

код является триплетиым. Расшифровка генетическо­

го кода была произведена в основном в лаборатории Ниренберга. Успех этих работ в огромной степени

определялся результатами исследований Кораны, который занимался синтезом нуклеотидных полиме­ ров, в том числе с триплетной структурой.

Три из 64 кодонов не кодируют каких-либо ами­ нокислот. Они были названы нонсенс (nonsense)- кодонами. По крайней мере два из них выполняют

функцию сигналов термивации. Они определяют, где должен остановиться синтез полипептидной цепи. Функциональное значение остальных триплетов­

кодирование 20 аминокислот. Важнейшее свойство генетического кода- его «вырождеииость». Это

означает, что несколько кодонов кодируют одну И ту

же аминокислоту. Анализ таблицы генетического ко­

да (табл. 40.1) приводит к выводу О ТОМ, что все 64

кодона можно подразделить на 16 семейств. В одно семейство объединены кодоны, имеющие одинако­

вые нуклеиновые основания в первом и втором по­

ложениях. В таблице каждое семейство занимает од­

ну вертикальную колонку между горизонтальными

линиями. Например, кодон CCN, где N может быть U, С, А или G. определяет семейство во второй ко­

лонке, расположенной между первой и второй гори­

зонтальными разделительными линиями. В некото­ рых семействах все 4 кодона кодируют одну и ту же аминокислоту, как в случае вышеупомянутого СС­ семейства. Такие семейства называют иесмешанны­

ми. Восемь семейств из 16 являются несмешанными.

		U	С	д	G
		Phe	Ser	Tyr	Cys	U
	U	Phe	Ser	Tyr	Cys	С
		Leu	Ser	Term	Termt	А
		Leu	Ser	Term	Trp	G
		Leu	Pro	His	Arg	U
	С	Leu	Pro	His	Arg	С
		Leu	Pro	Gln	Arg	Д
		Leu	Pro	Gln	Arg	G
		Ile	Thr	Asn	Ser	U
	Д	"е	Thr	Asn	Ser	С
		IIet	Thr	Lys	Argt	А
		Met	Thr	Lys	Argt	G
		Val	Ala	Asp	Gly	U
	G	Val	Ala	Asp	Gly	С
		Val	Ala	Glu	Gly	Д
		Val	Ala	Glu	Gly	G

1)Термины первый, второй, третий относятся к поло­

жению данного нуклеотида в триплетном кодоне: U-

уридиновы й нуклеотид; С- цитозиновый нуклеотид; А­

адениновый нуклеотид; G - гуаниновый нуклеотид. Кодон

метионина-АUG -выступает в роли инициирующего

кодона; Теrm-терминирующий кодон (трехбуквенные

обозначения аминокислот расшифрованы в гл. 3).

2)В митохондриях млекопитающих AUA кодирует

Met, UGA - Trp, а ЛGА и ЛGG выполняют функцию тер­

минаторов.

Семейства, кодирующие более одной аминокисло­ ты, называются смешаниыми. В 6 смешанных семей­

ствах кодоны с пиримидиновым нуклеотидом в тре­

тьем положении кодируют одну аминокислоту, а ко­ доны с концевым пурином - другую аминокислоту

или сигнал терминации (табл. 40.1). Два оставшихся семейства- UG-семейство и АU-семейство- не от­

носятся НИ к одному из названных типов и являются

в этом смысле уникальными. Таким образом, с точ­

ки зрения специфичности включения определенной

аминокислоты третий нуклеотид в кодонах оказы­

вается, как правило, менее важен, чем первые два.

В этом и реализуется вышеупомянутая вырожден­

ность кода. В то же время каждому данному кодону

соответствует одна и только одна определенная ами­

нокислота. В этом смысле генетический код является строго однозначным. Следует отчетливо понимать

прииципиальное отличие этих двух важнейших свойств- вырожденности и однозначиости,­

одновременно пр_сущих генетическому коду.

Однозначность при одновременной вырожденно­

сти кода можно легко пояснить на молекулярном

уровне. Узнавание определенного кодона в составе

мРНК молекулой тРНК определяется способностью образовывать комплементарные пары оснований

96

Глава 40

между кодоном и аИТИКОДОRОМ. Каждая молекула тРНК содержит участок, комплементарный кодону и называемый антикодоном. для данного кодона су­

ществует только один вид молекул тРИК, содержа­

щих соответствующий антикодон. Так как каждая молекула тРНК способна нести только одну строго

определенную аминокислоту, то и каждому кодону

соответствует только одна определенная аминоки­

слота. Однако некоторые виды тРНК могут исполь­ зовать один и тот же антикодон для узнавания более одного фиксированного кодона. Как следует из при­ веденного выше анализа семейств кодонов, антико­

дон может быть нечувствителен к третьему (3'-) ну­

клеотиду кодона- частично (смешанные семейства)

или даже полностью (несмешанные семейства). Та­

кую ослабленную строгость в узнавании третьего

нуклеотида в кодоне имеют в ВИДУ, используя тер­

мин «качание». При этом по сигналу данного кодова происходит встраивание в беJll(ОВУЮ цепь только од­

ной определенной аминокислоты, хотя каждая амино­

кислота может кодироваться и более чем одним опре­

деленным кодоном.

Как будет показано ниже, процесс считывания ге­ нетического кода при синтезе белка не допускает воз­

можности перекрывания кодонов. Следовательно, rенетический код-неперекрываюЩИЙся. Начавшись

на определенном кодоне, считывание следующих не­

посредственно друг за другом нуклеотидных трипле­

тов идет далее без каких-либо пропусков вплоть до достижения нонсенс-кодона. В этом смысле говорят, что генетический код не содержит знаков пунктуации. i{o последнего времени генетический код считался абсолютно универсальным. Теперь стало известно, что набор тРНК в митохондриях клеток как низших,

так и высших эукариотических организмов, считы­

вает 4 кодона иначе, чем tPHK-молекулы цитоплаз­ мы этих же или любых других клеток. Как видно из

табл. 40.1, в митохондриях млекопитающих кодон

AUA считывается, как Met, а UGA кодирует Trp.

Эти два кодона принадлежат к семействам UG

и АU, которые были отмечены нами выше как уни­

кальные. Возможно, с целью уменьшения числа tPHK-молекул, необходимых для трансляции гене­

тического кода, в митохондриях произошла конвер­

сия UG-и UА-семейств до семейств простого сме­

шанного типа. Кроме того, кодоны AGA и AGG

используются не как аргининовые, а как стоп­

кодоны, т. е. как сигналы терминации трансляции.

В результате митохондрии необходимо только 22 вида тРНК, в то время как для синтеза белка в цито­

плазме используется весь набор, включающий 31

вид tPHK-молекул. И все же, за вышеупомянутым исключением, генетический код-универсален. Ча­

стота использования каждого кодона варьирует от

вида к виду и даже от ткани к ткани для одного и то­

го же вида. Таблицы частот использования кодонов

постоянно подвергаются уточнению по мере опреде-

ления нуклеотидной последовательности все боль­ шего числа генов. Это очень важно, поскольку часто

исследователям приходится прогнозировать после­

довательность мРИК по имеющейся аминокислот­

ной последовательности белка или его фрагмента

с целью синтеза олигонуклеотидного зонда для кло­

нирования данного гена.

ТРАНСПОPfНЫЕ РОК И СИНТЕЗ БЕЛКА

i{ля каждой из 20 аминокислот существует по

крайней мере один вид тРНК. все молекулы тРНК

характеризуются необычайным сходством как в функциональном отношеlПfИ, так и по простран­

ственной структуре. Выполнение адапторных функ­ ций становится возможным после образования спе­

цифического комплекса между молекулой тРНК

и определенной аминокислотой. Так как у нуклеино­ вых кислот нет какого-либо специального сродства

к боковым цепям аминокислот, взаимное узнавание должно происходить с помощью специальной моле­ кулы белка, способной выявлять одновременно

и определенную tPHK-молекулу, и соответствую­

щую аминокислоту. Для подобного узнавания и пра­

вильного присоединения соответствующей аминоки­

слоты к молекуле тРНК должно существовать по

крайней мере 20 специфичных ферментов. Процесс

узнавания и присоединения происходит в два этапа

и катализируется ферментом- УНИkальным для

каждой из 20 аминокислот, принадлежащим к классу

аминоацил-тРНК-снитетаз. Этот фермент образует

активированный промежуточный аминоацил­ АМР-ферментный комплекс (рис. 40.1), который спе­ цифически узнает соответствующую молекулу тРНК

и переносит аминокислотный остаток на 3'- гидроксильную группу концевого аденозина. Ами­ нокислота остается присоединенной эфирной связью

к тРНК вплоть до включения в определенное поло­ жение растущей полипептидной цепи предшествен­ ника белка.

Теперь вернемся к структуре молекулы тРНК, описанной в гл. 37 и изображенной на рис. 37.11. Ти­

мидин-псевдоуридин-цитидиновое плечо (Т",с) уча­

ствует в связывании аминоацил-тРНК с рибосомой в сайте синтеза белка. Плечо О необходимо для спе­ цифического узнавания данной молекулы тРНК со­

ответствующей аминоацил-тРНК-синтетазоЙ. Ак­

цепторное плечо служит местом присоединения со­

ответствующей аминокислоты.

Антикодоновый участок состоит из 7 нуклеотидов

и узнает трехбуквенный кодон в мРИК (рис. 40.2). Последовательность этой области, если читать ее от

3'- к 5'-концу, имеет следующую структуру: варьи­

рующее основание, модифицированный пурин, со­ бственно антикодон (х, у, z), пиримидин, пиримидин- 5'. Обратите внимание, что антикодон считывается

		С,mmез 6е_1ка 11	геuеmuческuu код		97
	АТР
			о	о
		Ф - Аденин -	11	11	АМР+Ф
ноОС - НС- R---..,-------I~			Рибоза-О-Р-О-С-СН-R
I			I	I
			ОН	NH2
H2N	Фермент (Ф)		Ф·АМР·АК
		(активированная аминокислота)
	Аминоацил·				тРНК·дК
	тРН К'синтетаза
					тРНК>-<
		Аминоацил·ДМР-ферментныЙ
			комплекс		Аминоацил'ТРН К
Дминокислота (ДК)

Рис. 40.1. Образование аминоацил-тРНк. Двухступенчатая реакция с участием аминоацил-тРНК-синтетазы приводит к образованию аминоацил-тРНК. В первой реакции образуется комплекс АМР-аминокислота- -фермент. Активирован­

ная аминокислота переносится на соответствующую tPHK-молекулу. АМР и фермент высвобождаются, после чего фермент может снова участвовать в синтетазной реакции.

в направлении 3' ..... 5', а генетический код от 5' к 3', так	и AGG могут специфически связываться с одним
как кодон в мРНК и антикодоновая петля в тРНК­	и тем же антикодоном, соде}}жащим на 5'-конце оста­
антипараллельны.	ток урацила. Аналогично три кодона ГЛИЦина GGU,
Вырожденность генетического кода касается в ос­	GGC и GGA могут образовывать пары с антикодо­
новном третьего нуклеотида кодона и предполагает,	ном СС}. Инозин (1) - это еще одно из нео6ычных
что образование комплементарной пары между ним	(минорных) оснований, встречающихся в структуре

исоответствующим нуклеотидом антикодона не тРНК.

должно быть абсолютно строгим. Как уже упомина­			Узнавание кодона молекулой тРНК не зависит от
лось, это явление принято называть неполным соот­			того, какая аминокислота присоединена к ее 3'-концу.
ветствием или качанием. поскольку в области взаи­			Это было продемонстрировано в эксперименте, в ко­
модействия последнего нуклеотида кодона с антико­			тором радиоактивный цистеин, присоединенный
доном допускае rся	нестрогое	связыание-­	к специфической молекуле тРНК (TPHKcvs)'химиче­
«качание». Например,	2 кодона	аргинина AGA	ским путем превращали в аланин. При этом антико-

мРНК 5·--------------------------~ U8 U .u	Кодон
	З'
	днтикодон
А8 А
•	Ру
Плечо аНТИКОДона	·Ру

Фенилаланил·тРн К

5'

с

•

с

•

А

З' ~Phe

Рис. 40.2. Узнавание кодона антикодоном. UUU-один из кодонов фенилаланина. Молекула тРИК. «заряженная» фенил­ аланином (РЬе), содержит в антикодоновом участке комплементарную последовательность ААА. образующую ком­ плекс с кодоном из трех пар оснований. Антикодоновый участок. как правило, содержит следующую геПТdнуклеотидную

последовательность: варьируемый нуклеотид (N)~ модифицированный пурин (Ри *); антикодон (Х. У. Z): два пиримидина

(Ру) (ориентация 3' -+ 5').

4 1594

98

ГШ611 4()

доновый участок самой ТРНКсу. оставался неизмен­

ным. При использовании такой аланил-тРНК~),

в трансляиии гемоглобиновой мРНК радиоактив­

ный аланин обнаруживали в аминокислотной после­

довательности в положениях, в норме заНИ\1ае1\1ЫХ

остатками иистеИН<l. Этот эксперимен r продемон­

стрировал. что сам аминокислотный остаток не при­

нимает участия в специфическом узнавании кодона.

Как уже отмечалось. встраиваемые в полипептид­

ную цепь аминокислотные остатки вообше не КОН­ тактируют непосредственно с mPHK-матрицеЙ.

МУТАЦИИ

Мутации - это изменения в нуклеотидной после­ довательности гена. Даже если первоначально MYT<l- цИЯ произошла в некодирующей цепи гена. одна из образующихся в ходе репликаиии дочерних молекул будет обязательно содержать мутаuию в соответ­ ствующем месте кодируюшей иепи и даст начало по­

пуляции мутантных клеток.

Мутации замены оснований

Различают два типа замены оснований: транзи­ ции и трансверсии. Под транзициями понимают за­ мену пуриновых оснований на пуриновые. а пирими­

диновых- на пиримидиновые. Трансверсиями на­

зывают замены пуриновых оснований на пиримиди­ новые или пиримидиновых оснований на пуриновые

(рис. 40.3).

Если нуклеотидная последовательность гена, со­

держащего замену. транскрибируется. то образовав­ шаяся молекула мРНК будет иметь комплементар­

ную замену в соответствующем локусе. Точковая за­

мена в молекуле мРНК при трансляции в аминоки­

слотную последовательность может приводить

кразным последствиям:

1)если замена приходится на третий нуклеотид

кодона, то вследствие вырожденности генетического

кода существует вероятность того, что аминоки­

слотная последовательность останется неизменной

имутация иикак ие проявится;

2)может иметь место миссенс-эффект, когда одна

аминокислота вследствие замены нуклеотида заме­

щается другой аминокислотой. Такая замена. в зави-

т ..	ТХ	А	АХ	Т
А4 • G	С . G		G .с
Транзиции	Трансверсии

Рис. 40.3. Схема возникновения транзиций и трансверсий.

симости от ее локали·кщии в <lМИНОКИСЛОТНОЙ пос.,е­ дователыюсги бе:lка. может бbllЪ приеМ.ilечоii, ча­ стнчно Ilрнемлемой или lIеПРJlеМ.JIСМОЙ в отношении

ФУНКIIИИ данного белка. Из ана.,иза гене гического

кода можно заключить. ч 1·0 чаше всего точковые МУ­

тании будут приводить к З<lменам на аминокислоты

с довольно п()хожими функциональными ГРУllпами. Если происходит приеМ.'lемая замена. молеКУЛ(l бел­

ка может оказаться функшюналыю неотличимой от нормальной. В реЗУЛЬТ<lте частично приеМ.1ем()Й 3(1-

мены наРУШ<lется нормальное функционирование белка. И накоиеl{. неприемлемая замена вриводит к полной потере его функции;

3) в результате точковой мутации может возни­

кнуть нонсенс-кодон. присутствие которого приво­

дит К прежл:евремеНIIОЙ терминаuии син геза бе.,ка.

Как правило. фрагмент. образуюшийся в резул:ьтате

преждевременной терминании. не способен выпол­ нять функцию интактной мол:екулы бслка.

Мутации ('лоБИlIOВЫХ генов

Роль мутаЦIIЙ удобно ПРО(lнализировать на ПРII­ мере генов гемоглобинов. В этой области нак()плен большой фактический материал. касаюшийся ами­

нокислотных последовательностей нормальных

и измененных гемоглобинов (см. гл. 6). На примере

гемоглобиновой молекулы можно продс!\юнстриро­

вать влияние точковых замен аминокислот. а также

проиллюстрирова-I ь некоторые И3 рассмотренных

ранее общих особенностей генетического кода.

Некоторые _иуmаЦllU не "РОЯ6.lяюmся 6 '<'61/0.Н ви­

дс. Отсутствие влияния отдельных точковых MYT~­

ций прямо можно показать голько с помошью опре­ деления нуклеотидной последовательности гена гс­ моглобина или соответствующих мРНК большого

числа людей с нормальным гемоглобином. Однако.

на основании косвенных данных можно судить

О ТОМ. что в гсне ~-цепи кодон 67 (кодируюший ва­

лин) не является идентичным у всех ИНДИВИ;lOв с нор­

М<lЛЬНЫМ ~-глобином. В гсмоглобине типа Милуоки в 67 положении ~-цепи расположена глутаминовая

кислота. а в гемоглобине Бристоль - аспарагиновая

кислота. Если считать замены в положении 67 ами­

нокислотной непи ~-глобина следствиями ОДНОну­

клеотидных замен в соответствуюшем кодоне

мРНК, то кодону аспарагиновой кислоты GAU или

GAC гемоглобина Бристоль до точковой мутапии

могли предшествовать В<lлиновые кодоны GUU или

GUC. В то же время кодонам глугаминовой кислоты

в GAA или GAG в мРНК гемоглобина Милуоки

должны были предшествовать валиновые кодоны

GUA или GUG. Гемоглобин тип(l Сидней. имеющий в 67 положении аланин (кодоны GCU; GCC; GCA или GCG), мог произойти вследетвис однонукТJ:eo­

тидной замены любого из четырех кодонов валина

(GUU; GUC; GUA или GIJG) (рис. 40.4).

	Синтез 6eJlKa и генетический код		99
НЬМилуоки	НЬБристоль	НЬД (нормальный)	НЬСидней
(3-67	(3-67	(3-67	(3-67
Глутамат	дспартат	Валин	дланин

GAU	GUU	GCU
GAC	GUC	GCC

GAA	GUA	GCA
GAG	GUG	GCG

Рис. 40.4. В нормальной Р-цепи гемоглобина А человека в 67-м положении находится валин, кодируемый одним из четы­

рех кодонов, заключенных в прямоугольник_ В аномальном гемоглобине типа Милуоки в этом положении обнаруживает­

ся глутамат, кодируемый либо ОАА-, либо OAa-кодоном. Оба кодона могут возникнуть в результате единичной транс­ версии валиновых кодонов GUA или GUG. Аналогично аланин в положении 67 Р-цепи гемоглобина типа Сидней может быть результатом однонуклеотидной замены в любом из четырех валиновых кодонов. Аспарагиновая кислота в гемогло­ бине типа Бристоль может появиться в результате замены одного нуклеотида в одном ИЗ двух валиновых кодонов GUU

или GUc.

	~иссенс-мутации	цепи гемоглобина (рис. 40.5, вверху) может служить
		мутация, которая выявляется по изменениЮ элек­

А. Приемлемые миссенс-мутации. Примером при­ трофоретической подвижности гемоглобина эритро­

емлемых миссенс-мутаций в	структурном гене ~- цитов практически здоровых людей. У представите-
	Молекула белка	Аминокислота	Кодоны
	НЬ д. В-цепь	Лизин-61	ддд	или	AAG
Приемлемая	!	l
мутация
	НЬ Хикари. (3-цепь	Аспарагин	AAU	или	дде
			lX!
	нь д. {3 -цепь	Глутамат-6	GAA	или	GAG
Частично	!	!	!		GUG!
приемлемая
мутация			GUA
	НЬ S. (3 -цепь	Валин		или
	НЬ д. а-цепь	Гистидин-68	CдU	или	еде
Неприемлемая	!	!	UAU! или
мутация
	НЬ М(60СТОН). а·цепь	Тирозин			uAe
					!

Рис. 40.5. Примеры трех типов миссенс-мутаций, ведущих к появлению аномальных Р-цепей гемоглобина. На рисунке ука­

заны аминокислотные замены и возможные замены в соответствующих кодонах. У гемоглобина Хикари Р-цепь обладает практически нормальными физиологическими функциями при измененной электрофоретической подвижности Функция гемоглобина S в результате мутации в р-цепи частично утрачена: он может связывать кислород, но при деоксигенации вы­ падает в осадок. В гемоглобине М Бостон в результате мутации в а-цепи ион железа П, входящий в состав гема, окисляет-

ся до железа 111, что полностью исключает связывание кислорода.