WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
MECHANISM OF AMINO МЕХАНИЗМЫ ACID SELECTION IN THE СПЕЦИФИЧЕСКОГО ОТБОРА PROCESS OF PROTEIN BIOSYNTHESIS АМИНОКИСЛОТ O. I. LAVRIK В БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА The paper deals with the..

first stage of protein bio‚· „‰‡‚ ‚ synthesis – aminoacylation of transfer RNAs by aminoacyl-tRNA synБиосинтез белков стал центральной проблемой thetases. These enzymes молекулярной биологии с середины 50-х годов, со demonstrate the high времени формулирования проблемы генетического specificity of aminoacylкода, адапторной гипотезы белкового синтеза, открытия тРНК и аминоацил-тРНК-синтетаз. С наtRNA formation, despite чала 70-х годов проблема белкового синтеза раздеthe structural similarity of лилась на два крупных направления: рибосомное и many natural aminoacids.

внерибосомное – аминоацилирование транспортных РНК (тРНК) аминоацил-тРНК-синтетазами.

The mechanisms providНаряду с рибосомным, второе направление продолing tRNA aminoacylation жает привлекать к себе внимание, что вполне specificity and their role in объяснимо. Взаимодействие тРНК с аминоацилтРНК-синтетазами представляет собой интереснейprotein biosynthesis are шую систему для понимания белково-нуклеинового discussed in this paper.

узнавания, то есть фундаментального вопроса всех этапов переноса генетической информации в клетке. Аминоацил-тРНК-синтетазы осуществляют от‡fl ‚fl‡ бор аминокислот и специфических тРНК, уникаль‚ ‡ ·‡ ная химическая вариабельность которых сочетается ·‡ – ‡ ‡- с однотипностью их строения. Вторичная структура тРНК описывается так называемым “клеверным ‡‚‡fl ‡листом”, а трехмерная – структурой L-образной. ‡ ‡формы, которая была установлена методом рентгеfl ‡‡fl - ноструктурного анализа высокого разрешения.

Аминоацил-тРНК-синтетазы образуют самую ‡ – ‡‡многочисленную группу ферментов, участвующих в -‡‡. реализации генетической информации. Например, ‡‚‡ ДНК- и РНК-полимеразы в каждом из биологических видов представлены всего несколькими разны‰fl ‡‚ми белками, в то же время разных аминоацил ‚fl тРНК-синтетаз в каждой клетке не менее двадцати.

‡ ‚ ·При единстве функций (активация аминокислот и их перенос на транспортные РНК) синтетазы весь. ·‰‡fl ‡ма отличаются по молекулярному весу (от 40 до, ·‚‡ примерно 300 тыс. дальтон) и могут состоять из од‚ ·ной либо из нескольких полипептидных цепей.

‡ ‡ ‡- С функциональной точки зрения аминоацилтРНК-синтетазы обладают исключительно высо‡--‡‡ кой специфичностью в присоединении определен ‚‡‰ ‚ ной аминокислоты к специфической тРНК. Это ·‚„ ‡. обеспечивается специальными механизмами и абсолютно необходимо для воспроизведения генетически заданной структуры белка. Данная статья посвящена механизмам специфического отбора, ‹4, © ‡‚.., аминокислот и обеспечения “сверхспецифичнос- мик-органик, когда активирует карбоксильную ти” аминоацил-тРНК-синтетаз. группу, превращая карбоновую кислоту в ацилхлорид или ангидрид. Активированный аминоацильПервый этап белкового синтеза в клетке – это ный остаток легко атакует одну из гидроксильных отбор специфических аминокислот и их присоедигрупп рибозного кольца концевого аденозина нение к транспортным РНК. Реакция катализирутРНК. Это приводит к образованию аминоацилется аминоацил-тРНК-синтетазами и протекает в тРНК (рис. 1в) два этапа (рис. 1).

Первая стадия – активация аминокислоты – про- Е АА АМР + тРНК Е + АМР + АА тРНК, исходит с участием аденозин-5'-трифосфата (АТP) где АА тРНК – аминоацил-тРНК E + AA + ATP E AA AMP + PP, Аминоацильный остаток присоединяется к 2'или 3'-гидроксилу аденозина, который расположен где Е – аминоацил-тРНК-синтетаза, АА – аминона 3'-конце молекулы тРНК. Это соединение, амикислота, АТР – аденозин-5-трифосфат, РР – пироноацил-тРНК, содержит активированную сложнофосфат, Е АА АМР – комплекс фермента с аминоэфирную связь и энергии этой связи вполне достаациладенилатом, АМР – аденозин-5-монофосфат.

точно для формирования пептидной связи в Завершается эта стадия формированием связанпроцессе биосинтеза белка. Аминоацил-тРНК явного с ферментом аминоациладенилата (рис. 1б).

ляется завершенным субстратом для биосинтеза При этом происходит активация аминокислоты в белка на рибосомах и далее в процессе белкового результате гидролиза макроэргической связи в АТР синтеза идет узнавание только полимерной части и отщепления пирофосфата.

этой молекулы, а именно тРНК (рис. 1г). Это обАминокислота активируется путем образования стоятельство было доказано классическими опытасвязанного с ферментом смешанного ангидрида с ми Франсуа Шапвилля, проведенными в лаборатоАМР точно таким же образом, как это делает хи- рии Фрица Липпмана. тРНК, специфичная к аб Аминокислота тРНК Фермент вг Аминоацил-тРНК Рис. 1. Схема аминоацилирования тРНК аминоацил-тРНК-синтетазой.

а – Фермент – аминоацил-тРНК-синтетаза (для наглядности место связывания тРНК обозначено структурой в виде клеверного листа, место связывания аминокислоты в виде малого овала); б – первая стадия реакции аминоацилирования – активация аминокислоты (тРНК для наглядности представлена вторичной структурой в виде клеверного листа); в – вторая стадия реакции аминоацилирования – связывание тРНК, синтез аминоацил-тРНК;

г – синтезированная аминоацил-тРНК – субстрат для биосинтеза белка на рибосомах.

.. серусодержащей аминокислоте цистеину, была Cgtwbabxtcrbq -fvbyjuheggf hflbrfk аминоацилирована цистеином. Затем остаток цистеина в составе цистеинил-тРНК был восстановлен + NHдо аланина с помощью катализатора – никеля Рэнея. Результатом явилось получение “неправиль- CH но” аминоацилированной тРНК: тРНК, специфичCH2 COOная к цистеину (тРНКЦис), оказалась связанной с остатком аланина. Эта аланил-тРНКЦис вошла в рибосому, связанную с РНК, распознала кодом циRfh,jrcbkmyfz стеина, как это и должна была сделать цистеиновая uheggf тРНК, но включенным в белок оказался не цистеин, а аланин. Эксперименты доказывали адапторную Рис. 2. Структурная формула фенилаланина.



функцию тРНК и то обстоятельство, что ошибка на стадии аминоацилирования тРНК не исправляется на других этапах белкового синтеза. Следовательно, Вклад различных фрагментов молекулы аминоаминоацилирование тРНК должно происходить бекислоты исследовали с помощью неприродных зошибочно.

синтетических аналогов аминокислот, в которых были изменены специфический радикал, аминоЭкспериментальные оценки частоты ошибок, группа или карбоксильная группа. Например, были происходящих при биосинтезе белков, приводят к удалены либо замещены карбоксильные группы, величине 1 10- 4. Эта величина включает в себя введены заместители по -аминогруппам и специошибки, возникающие как на этапе трансляции, так и транскрипции, то есть предшествующей ста- фическим радикалам. Было показано для различных аминоацил-тРНК-синтетаз, что необходимым дии переноса генетической информации.

элементом узнавания всех аминокислот является Что означает этот уровень ошибок в смысле син -аминогруппа. Модификация этой группы привотеза дефектных молекул белка Это означает, что дит к резкому падению сродства аминокислоты к среднестатистически одно ошибочное включение ферменту, то есть неспецифическая группировка аминокислоты произойдет на каждые 10000 остатаминокислоты дает существенный вклад в энергию ков актов включения аминокислот в белки. Посвязывания и определяет последующее узнавание скольку в среднем белки несут около 500 остатков, специфического радикала аминокислот. Как приняиз 10000 аминокислот можно составить 20 белков, а то считать, карбоксильная группа играет меньшую они будут содержать единственную ошибочную роль на стадии первичного связывания аминокисаминокислоту в каком-либо положении цепи. Если лоты, однако безусловно важна на последующих каоколо 10% всех ошибок серьезно сказываются на талитических этапах реакции аминоацилирования.

биологической функции белка, то из этого следует, что одна молекула белка из 200 синтезированных Специфическое распознавание аминокислот окажется бесполезной в клеточном метаболизме.

аминоацил-тРНК-синтетазами осуществляется за счет взаимодействий со специфическими радикалаПервой стадией реакции аминоацилирования ми аминокислот. Было установлено, что аминоацилтРНК является активация аминокислоты с участитРНК-синтетазы, специфичные к резко различным ем АТР, следовательно, прежде всего фермент долпо структуре аминокислотам, легко осуществляют жен образовать комплекс с нужной аминокислотой.

отбор нужной аминокислоты на стадии связывания Способность аминоацил-тРНК-синтетаз различать и последующей активации аминокислоты с образоприродные аминокислоты изучена очень подробно.

ванием аминоациладенилата. Например, цистеиДискриминация неспецифических аминокислот, нил-тРНК-синтетаза из кишечной палочки (E. coli) способных разместиться в активном центре фери дрожжевая тирозил-тРНК-синтетаза отбирают мента, в принципе обусловлена тем, что аминоацилспецифический субстрат только за счет предпочтитРНК-синтетаза воспринимает небольшие отлительной активации с такой высокой точностью, что чия, существующие между истинным субстратом и отпадает необходимость в дополнительных механеспецифической аминокислотой.

низмах коррекции. В то же время похожие по струкБыли проведены обширные исследования по туре аминокислоты могут быть узнаны “не своими” изучению вклада различных участков молекул амиаминоацил-тРНК-синтетазами и даже может пронокислот во взаимодействие с аминоацил-тРНКисходить их активация с образованием аминоацисинтетазами. Речь идет об обычном отборе специладенилата. Весьма похожими, например, являются фического субстрата на стадии его связывания с акследующие аминокислоты: валин, изолейцин, третивным центром и дальнейшим каталитическим онин (рис. 3).

превращением. Аминокислоты построены из специфического радикала, -аминогруппы и карбок- Разберем подробнее два примера ошибочной аксильной группы. На рис. 2 представлена структур- тивации этих похожих аминокислот, которые приная формула аминокислоты фенилаланина. влекали особенное внимание ввиду их значения для, ‹4, Впоследствии была обнаружена еще одна гидроCHH3C литическая функция аминоацил-тРНК-синтетаз:

CH CH COOH H3C CH CH COOH эти ферменты гидролизуют аминоацил-тРНК не по H3C пути обратной реакции с участием АМР, а просто NH2 CH3 NHдеацилируют свой продукт, то есть Dfkby Bpjktqwby АА тРНК + H2O AA + тРНК.

Было высказано предположение, что такой гидроH3C лиз может вносить свой вклад в корректирование.

CH CH COOH Однако для системы изолейцин–валин образоваHO NH2 ния неправильной аминоацил-тРНК выявлено не было, и, следовательно, в этом случае такой мехаNhtjyby низм не работает.

В то же время при использовании быстрой кинетики английским ученым Аланом Ферштом было Рис. 3. Структурные формулы валина, изолейципоказано образование неправильного продукта – на, треонина.

соединения треонина с тРНК, специфичной к валину, в присутствии валил-тРНК-синтетазы. Этот клетки, и для них были детально изучены механизпродукт был выделен, и было показано, что скомы коррекции ошибок. Изолейцил-тРНК-синтетарость гидролиза “неправильной” аминоацилза способна активировать валин, и валил-тРНКтРНК, содержащей остаток треонина вместо остатсинтетаза способна активировать изостерическую ка валина, выше в 2000 раз по сравнению с “правалину аминокислоту – треонин. Наличие разницы вильной” валил-тРНК. Для этого фермента было в энергии связывания не до конца обеспечивает в предположено существование специального центэтих случаях точность работы системы аминоацира, обеспечивающего гидролиз неправильной амилирования, тем более что концентрация валина в ноацил-тРНК. Как попадает аминоацильный останекоторых организмах в 5 раз и более превышает ток в предполагаемый гидролитический центр концентрацию изолейцина. Если учитывать реаль- Одна из гипотез состояла в том, что важную роль в ные соотношения в энергии связывания и скоро- этом процессе играет перенос аминоацильного осстях превращения этих аминокислот, а также кон- татка с одного гидроксила рибозы концевого адецентрацию аминокислот в клетке, уровень ошибок нозина тРНК на другой. Известно, что аминоацидолжен быть достаточно высок. В частности, в свя- лирование тРНК различных специфичностей зи с более высокой концентрацией валина реаль- осуществляется либо по 2'-, либо по 3'-гидроксилу ная ошибка должна была возникать примерно 1 на концевого аденозина тРНК. В районе соседнего неакцептирующего гидроксила расположен гидроли20 – 40 актов включения аминокислоты в белок. Но тический центр. Следует полагать, что неспецифис другой стороны, по реальным оценкам суммарная ческий аминоацильный остаток обладает меньшим ошибка для валина, занявшего ошибочно в белке место изолейцина, составляет только 1 на 3000. Та- сродством к центру активации аминокислоты и легко может подвергаться 2' 3' аминоацильному ким образом, стало очевидным, что некоторые амипереносу. После попадания в “гидролитический ноацил-тРНК-синтетазы обладают дополнительцентр” синтетазы происходит быстрое отщепление ными механизмами коррекции ошибок, которые неправильного аминоацильного остатка от аминоапозволяют дискриминировать неспецифические цил-тРНК с участием молекулы воды. Возможно, аминокислоты, структурно схожие с аминокислочто гидролитический центр фермента в случае ватой – субстратом.

лил-тРНК-синтетазы образует водородную связь с Еще в ранних опытах, проведенных в лаборато- гидроксильной группой треонина. Таким образом, рии американского ученого Поля Берга, было заме- валин связывается с гидролитическим центром гочено, что ошибочно сформированный изолейцино- раздо слабее по сравнению с треонином, а это в ковым ферментом валиладенилат гидролизуется до нечном итоге приводит к менее эффективному гидролизу. Итак, природой создан специфический валина и АМР при добавлении транспортной РНК, механизм структурного распознавания аминокисспецифичной к изолейцину. То есть специфическая тРНК стимулирует гидролиз “неправильного” про- лот, который реализуется в двух случаях: один раз межуточного продукта и не происходит ошибочно- для узнавания нужного субстрата на стадии биосинтеза, а другой раз – для узнавания неправильного го присоединения валина к тРНК, специфичной к субстрата на стадии гидролиза.

изолейцину. Поскольку не происходит образования ошибочной аминоацил-тРНК, следовательно, синМеханизм функционирования валил-тРНК-синтетаза функционирует как фермент, непроизводи- тетазы был наглядно представлен Аланом Ферштом тельно гидролизующий АТР для разрушения оши- как механизм “двойного сита” (рис. 4). Предполагабочного продукта. ется, что на первом этапе природные аминокислоты,.. Фенилаланин то есть нуклеотиды присоединяются к 3-гидроИзолейцин ксильной группе полинуклеотида, а гидролизуюа Глицин щая активность работает в обратном направлении.

Принцип вырезания “неправильного” основания Треонин также основан на уменьшении эффективности свяВалин зывания основания со специфическим центром, так как специфичность центра определяется основанием матрицы, которое комплементарно правильГлицин б ному и некомплементарно ошибочно включенному Треонин нуклеотиду. В целом условие функционирования Валин корректирующего механизма в ферментативном Центр активации катализе состоит в том, что в ходе реакции должны образовываться легко гидролизующиеся промежуточные соединения или конечный продукт реакции.

Коррекция обеспечивается гидролизом “неправильных” продуктов.

Гидролитический Наряду с этим для аминоацил-тРНК-синтетаз Валин-тРНК центр был предложен специфический химический механизм, который не предусматривает наличия у этих Рис. 4. Механизм “двойного сита”, моделируюферментов специального гидролитического центра.

щий функционирование валил-тРНК-синтетазы.

Механизм коррекции весьма прост. В его основе леа – Большие по размеру аминокислоты не прохожит предположение о том, что нежелательные продят сквозь первое “сито”; б – меньшие (или изостерические) аминокислоты проходят сквозь втомежуточные соединения диффундируют в раствор, рое “сито”.

где подвергаются гидролизу, поскольку они нестабильны. Для аминоацил-тРНК-синтетаз промежубольшие, чем специфический субстрат, “отсеива- точным продуктом являются аминоациладенилаты ются” с достаточной эффективностью за счет про- (ангидриды аминокислот и аденозинмоно-фосфорстого стерического исключения, тогда как мень- ной кислоты), которые очень нестабильны в водных растворах и гидролизуются с высокими скорошие, или изостерические, аминокислоты попадают в аминоацилирующий центр и активируются в со- стями. Принцип действия такого механизма можно ответствии с величинами их кинетических характе- проиллюстрировать схемой аминоацилирования тРНК (рис. 5).

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.