А.С.Спирин Молекулярная биология рибосомы и биосинтез белка


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
ВгСЕЕ ПРОФЕССрОНАудНОЕ ОБРАЗО
·.р.р
ДЖГеВуГЧрЕаЧ ⋅АЖГЖ»АЧ
У А ⋅АЖсАЕКез ⋅еГВа
Кодде«гдйегодибг есдгддддг
же бвЧииодибегк кддзийдйибегк езЧЮеЧдх
 бЧодийд коддбЧ гвц ийкгддйе
типм коддтм ЮЧдгдда, екоЧхрмиц
же дЧжзЧвддх «аевец»
 евеодибг ижднЧвудеийцг
УДК 577.2(075.8)
ББК 28.070я73
С722
Рецензенты:
акад. РАН, д-р хим. наук, проф.
А
Б
огданов
(кафедра химии природных соединений
химического факультета и Нрр физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского
Московского государственного университета им. М.
уомоносова);
чл.-кор. РАН, д-р хим. наук
р
(руководитель лаборатории рецепции
нейропептидов рнститута биоорганической химии им. акад. М.
и Ю.
А.
Овчинникова РАН)
Спирин А.С.
С722
Молекулярная биология : рибосомы и биосинтез белка : учебник для
студ. высш. проф. образования - А.
Спирин. — М. : рздательский центр
«Академия», 2011. — 496 с., ψ16] с. цв. ил.

ISBN 978-5-7695-6668-4
Настоящий учебник охватывает часть общего курса молекулярной биологии, посвя
щенную структурным и функциональным аспектам биосинтеза белков, которую автор
читает на биологическом факультете МГУ им. М.
уомоносова. Вместе с тем объем
включенного в учебник материала соответствует уровню требований кандидатского
минимума по специальности «Молекулярная биология». В книге отражены современные
тенденции и знания в данной области науки, приведен достаточно полный список ли
тературы по охватываемым проблемам. Книга не имеет аналогов в современной мировой
литературе.
Для студентов учреждений высшего профессионального образования. Может быть
полезен научным работникам и преподавателям вузов.
УДК
577.2(075.8)
28.070я73
ISBN 978-5-7695-6668-4
© Спирин А.С., 2011
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2011
© Оформление. рздательский центр «Академия», 2011
ригинал-макет данного издания является собственностью
здательского центра
кадемия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается
Учебное издание
Спирин Александр Сергеевич
Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка
Учебник
Редактор
.В.
ирогова.
Технический редактор
.Крайнова
Компьютерная верстка:
Г.Ю.
икитина.
Корректор
Г.
етрова
рзд. ⋅ 101112096. Подписано в печать 21.12.2010. Формат 70
100-16.
Гарнитура «Ньютон». Бумага офсетная ⋅ 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 41,6 (в т.ч. цв. вкл. 1,3).
Тираж 1000 экз. Заказ ⋅
рздательский центр «Академия». www.aαaβemγa-mosαow.ru
125252, Москва, ул. Зорге, д. 15, корп. 1, пом. 26б. Адрес для корреспонденции 129085, Москва, пр-т
Мира, 101В, стр. 1, а-я 48. Тел.-факс: (495)648-0507, 616-0029.
Cанитарно-эпидемиологическое заключение ⋅ 77.99.60.953.Д.007831.07.09 от 06.07.2009.
Отпечатано с электронных носителей издательства.
ОАО «Тверской полиграфический комбинат», 170024, г.
Тверь, пр-т уенина, 5.
Телефон: (4822) 44-52-03, 44-50-34. Телефон-факс: (4822) 44-42-15.
Home paεe — www.tverpk.ru Электронная почта (E-maγl) — sales>tverpk.ru
Настоящий учебник написан на основе курса лекций по структуре рибосом и
биосинтезу белка, который я читаю студентам старших курсов биологического
факультета Московского государственного университета. уекции были частью
основного курса по молекулярной биологии в течение более трех десятилетий, и
они претерпели значительную эволюцию по мере развития знаний в этой обла
сти. Наука продолжает идти вперед, и читатели должны быть готовы к тому, что
некоторые факты, утверждения и идеи, включенные в книгу, могут оказаться не
совсем полными или не совсем современными. В любом случае книга является
учебным руководством, а не исчерпывающим обзором. Она обеспечивает основу
для знаний и развития текущих идей в области биосинтеза белка, дает примеры
наблюдений и их объяснения.  понимаю, что некоторые объяснения и выводы
могут быть предварительными и спорными, но надеюсь, что они послужат сти
мулом для размышлений и обсуждения проблем.
У книги есть прототип: это моя монография «Молекулярная биология: Струк
тура рибосомы и биосинтез белка», вышедшая в 1986 г. в издательстве «Высшая
школа», Москва. Здесь я в основном выдерживаю предыдущий порядок пред
ставления тем и подразделения на главы. Однако содержание глав было подвер
гнуто значительной ревизии и дополнено. Короткая вводная глава 1 теперь зна
чительно расширена и включает историю открытия кодирующих и некодирующих
РНК, перечисление как генетических, так и негенетических функций различных
видов РНК, описание основных принципов макромолекулярной структуры РНК,
а также изложение гипотезы о древнем мире РНК, его происхождении и эволю
ции в клеточные формы жизни. Главы по морфологии рибосомы (гл. 5), рибо
сомной РНК (гл. 6), терминации трансляции (гл. 13), ко
трансляционному свора
чиванию и трансмембранному транспорту белков (гл. 17) полностью переписаны
в соответствии с новыми данными. Главы 7 и 8 издания 1986 г., посвященные
рибосомным белкам, объединены и дополнены новым материалом по четвертич
ной структуре рибосомы. Фактически заново написаны главы по контролю транс
ляции у прокариот (гл. 15) и эукариот (гл. 16). Заключительная глава 18 об основ
ных принципах структурной организации и функционирования рибосомы теперь
включает также рассмотрение рибосомы как молекулярной машины.
В этой книге (как и в предыдущей) литературные ссылки приведены в основ
ном в целях обучения и таким образом список литературы, имеющийся в конце
каждой главы, далеко не полный. Чтобы дать представление об истории откры
тий, я цитирую преимущественно пионерские исследования в обсуждаемой об
ласти и по ходу текста указываю руководителей соответствующих научных групп
в русской транскрипции и год публикации работы. Сами же ссылки на работы в
оригинальной транскрипции, а также ссылки на обзоры даны, как уже отмечено
выше, в конце каждой главы. Во многих случаях при ссылках на работы коллек
тивов авторов фамилии руководителей групп в списках литературы подчеркнуты.
Бо´льшая часть иллюстраций по структуре рибосом и их компонентов, определен
ной в конце 1990-х и 2000-х гг. с помощью рентгеноструктурного анализа, наря
ду со ссылками на соответствующие публикации, снабжена также ссылками на
идентификационный номер в международном банке белковых структур —
Proteγn
Data Bank
(PDB ID). Книга содержит и много оригинальных иллюстраций, сде
ланных благодаря ценной помощи моих сотрудников в рнституте белка РАН в
Пущино.  также благодарен моим коллегам, работающим как в рнституте бел
ка, так и вне его, — А.
А.
Богданову, В.
Д.
Васильеву, А.
В.
Ефимову, В.
Н.
кову, у.
у.
Киселеву, В.
А.
Колбу, у.
П.
Овчинникову, А.
Г.
Рязанову и А.
В.
кельштейну — за их вклад в написание и обсуждение ряда глав этого учебника.
Хочу принести особую благодарность А.Коммеру за неоценимую помощь в при
готовлении всего иллюстрационного материала книги, Т.
Б.
Кувшинкиной за
большой вклад в составление и упорядочивание списков литературы к каждой
главе и у.
Н.
Рожанской за повседневную техническую помощь. Кроме того, я
весьма признателен сотруднику кафедры молекулярной биологии биологическо
го факультета МГУ им. М.
уомоносова П.
А.
Каменскому за помощь в подго
товке рукописи и в демонстрации ее материала на моих лекциях.
А.
С.
Москва — Пущино, 2008 г.
ПасКФ I.
»г 1
В А ⋅АЖсАЕКез ⋅еГ
1.1. ОЭекигфеч джгд джгЭвлгчиежб ажгжгаа
В 40-х гг. ХХ в., прежде всего на основе цитологических и биохимических на
блюдений Касперсона (1941) и Браше (1941—1942), стало складываться представ
ление, что ДНК, локализующаяся в ядрах клеток, в их хромосомах, самым тесным
образом связана с аппаратом наследственности, а РНК — это обязательный ком
понент клеточной цитоплазмы, ответственный за биосинтез белка. Прямые экс
перименты Эйвери, Макуеод и МакКарти (1944) доказали, что чистая, изолиро
ванная из клеток ДНК может быть носителем наследственных признаков орга
низма. Все большее количество исследователей — в первую очередь биохимиков
и цитологов — начинали склоняться к мысли, что ДНК или ее комплексы с бел
ком могут быть основными носителями генетической информации, а РНК — по
средником, воспринимающим эту информацию от ДНК и реализующим ее путем
биосинтеза белков.
К началу 1950-х гг. Чаргафф установил факт видовой специфичности состава
ДНК, показав, что соотношение четырех сортов ее мономеров — гуанилового (G),
аденилового (А), цитидилового (C) и тимидилового (Т) — различается у разных
видов организмов. Этот факт прямо соответствовал предполагавшейся генетиче
ской роли ДНК. Были найдены также интересные закономерности в нуклеотид
ном составе ДНК, названные «правилами Чаргаффа»: независимо от видовых
различий, во всех ДНК количество G было равно количеству С, а количество А —
количеству Т (G
С, А
Т). В 1953 г. Уотсон и Крик, используя эти эксперимен
тальные данные по химическому составу ДНК, а также результаты рентгенострук
турных анализов ориентированных нитей ДНК, указывавшие на спиральный
характер укладки ее полимерных молекул (Уилкинс и Фрэнклин), предложили
модель макромолекулярной структуры ДНК. Это была двойная спираль, где две
полимерные нити ДНК закручены вокруг общей оси и удерживаются вместе за
счет парных взаимодействий G с С и А с Т (рис. 1.1). Непосредственно из этой
структуры вытекал механизм ее точного воспроизведения, что впервые дало объ
яснение наследственности
— воспроизведению генов в процессах размножения.
Так полвека назад родилась новая наука — молекулярная биология.
В основе воспроизведения (редупликации) структуры ДНК лежит так назы
ваемый принцип комплементарности: в двойной спирали две полимерные цепи
ДНК связаны друг с другом бок о бок водородными связями за счет образования
пар G:С, С:G, А:Т и Т:А (здесь и далее нековалентные связи обозначены двое
точиями). Если две цепи двойной спирали расходятся, то на каждой из них может
строиться (полимеризоваться) новая
комплементарная
цепь, так что напротив
G исходной цепи устанавливается С новой цепи, напротив С старой цепи — G
новой цепи, напротив А—Т, а напротив Т—А; в результате этого получаются две
дочерние двойные спирали, полностью идентичные исходной — материнской (см.
рис. 1.1,
РНК химически подобна ДНК. В обоих случаях это линейные, неразветвлен
ные полимеры нуклеотидов с пентозофосфатным остовом и четырьмя типами
азотистых (пуриновых и пиримидиновых) оснований в качестве боковых групп.
Существует только два небольших отличия цепи РНК от одиночной цепи ДНК:
1) пятиуглеродный сахар (пентоза) в РНК представлен рибозой, а в ДНК его про
изводным — 2
-дезоксирибозой; 2) один из двух пиримидиновых нуклеотидов в
РНК представлен уридиловым остатком (U), вместо его метилированного произ
водного Т в ДНК. Вышеупомянутый принцип комплементарности обеспечивает
механизм репликации РНК на матрице ДНК. Разница лишь в том, что РНК по
лимеризуется только на одной из двух разошедшихся цепей двойной спирали ДНК
Рис. 1.1. Схема двойной спирали ДНК, ее комплементарной редупликации (
) и компле
ментарного синтеза РНК на одной из цепей ДНК (транскрипции) (
При сравнении нуклеотидного состава
ДНК с составом тотальной РНК у разных
видов бактерий (Спирин, Белозерский
и др., 1957; Белозерский и Спирин, 1958)
выявилась и еще одна интересная особен
ность: несмотря на несходство составов
ДНК и РНК и эволюционную консервативность основной массы РНК, наблюда
лась определенная тенденция к увеличению соотношения (G
C)-(A
U) в РНК
при переходе к видам с увеличивающимся соотношением (G
Т) в их ДНК
(см. табл. 1.1). Это указывало на существование в тотальной РНК нормальных
клеток бактерий небольшой фракции РНК, коррелирующей по своему нуклео
тидному составу с ДНК исследуемых клеток, т.е. фракции ДНК-
подобной РНК
(рис. 1.3). Выявление такой корреляции было первым свидетельством того, что
копиями структурных генов являются не эволюционно консервативные РНК бе
локсинтезирующих частиц — рибосом, а другие РНК, призванные программиро
вать функционально неспецифичные рибосомные частицы и быть гено- и видо
специфическими («ДНК-
подобными») матрицами для синтезируемых на рибо
сомах белков.
Так было предсказано существование специальной фракции кодирующей РНК,
позднее названной
messenεer RNA
(mRNA), или
информационной РНК
представляющей собой копии структурных генов и кодирующей клеточные белки.
Годом ранее в работе Волкина и Астрачана было показано, что заражение клеток
E. αolγ
бактериофагом индуцирует в них синтез короткоживущей РНК с соотно
шением нуклеотидов, подобным таковому в фаговой ДНК. Однако эта работа
обратила на себя внимание лишь позднее, когда стало выясняться, что синтез
фагоспецифической ДНК-
подобной фракции РНК в зараженных клетках отра
жает не просто специфику фаговой инфекции, а может указывать на общее яв
ление программирования белкового синтеза нерибосомными РНК. рменно про
должение этой работы в блестящих экспериментах на зараженных фагами бакте
риях, почти одновременно опубликованных тремя различными группами авторов
в 1961 г. — англо-
франко-
американской (Бреннер, Жакоб и Меселсон), франко-
американской (Гро, Гилберт, Уотсон и др.) и американской (Спигелман и др.), —
окончательно утвердило факт существования, место и роль информационных
РНК (мРНК) в процессе биосинтеза белка.
ртак, в процессе биосинтеза белка определились три основных участника,
представляющих три основных класса РНК в клетке: 1) некодирующая
рибосом
ная РНК
, или рРНК, ответственная за формирование белоксинтезирующих ча
стиц — рибосом; 2)
адаптерная РНК
, или тРНК, в русской научной литературе
не совсем точно называемая транспортной РНК, ковалентно связывающая (ак
цептирующая) аминокислотные остатки и совместно с рибосомой участвующая
в их включении в синтезируемую полипептидную цепь белка; 3) кодирующая
формационная РНК
, или мРНК, иногда также называемая матричной РНК, свя
Рис. 1.3. Корреляция нуклеотидного состава
тотальной клеточной РНК с нуклеотидным
составом ДНК при анализе различных видов
бактерий.
Belozersky anβ Spγrγn (1958)
Nature
111—112
роли рибосомной РНК: «В последние годы, однако, эта гипотеза столкнулась с
несколькими трудностями. Прежде всего, различия в нуклеотидном составе, най
денные в ДНК различных видов бактерий, как оказалось, не отражаются в ну
клеотидном составе рибосомной РНК (Belozersky anβ Spγrγn, 1960)» (цит. по:
Jaαob,
∆., anβ Monoβ, J., 1961, р. 195). Таким образом, все оказывалось сложнее,
чем постулировалось «центральной догмой молекулярной биологии» в ее перво
начальном виде. Во всяком случае полученные результаты по несоответствию
нуклеотидного состава тотальной клеточной РНК нуклеотидному составу ДНК
впервые указали на то, что преобладающая доля тотальной клеточной РНК, и в
первую очередь рибосомная РНК, по-
видимому, не является кодирующей РНК.
Таким образом, именно с упомянутых работ 1957—1958 гг. можно начинать исто
рию открытия
некодирующих РНК
в живых клетках.
С тех пор, и особенно в 2000-х гг., некодирующие РНК заняли прочные по
зиции в молекулярной биологии. рх изучение — одна из самых актуальных и
бурно развивающихся областей этой науки в настоящее время. Помимо рибосом
ной РНК, было открыто множество других классов некодирующих РНК. Адап
терная РНК, или тРНК (transfer RNA, tRNA) — второй по представительству класс
клеточных РНК после рибосомных РНК — была открыта тоже в 1957 г. одновре
менно американскими (Хоагланд, Замечник и Стефенсон) и японскими исследо
вателями (Огата и Нохара). Она также не является матрицей для синтеза белков,
хотя вовлечена в процесс первичной декодировки генетического кода путем спе
цифического акцептирования аминокислот через ферменты — аминоацил-
синтетазы (см. гл. 3). «Настоящие» некодирующие РНК, кроме рибосомных РНК,
были открыты много позже, прежде всего потому, что каждый их вид представлен
в клетках в малых количествах (см.: Gestelanβ, R.∆., Ceαh, T.R., anβ Atkγns, J.∆.,
eβs., 2006). К ним относятся РНК, участвующие в качестве затравки в синтезе
ДНК и в удлинении теломеров хромосом, без чего невозможна репродукция ге
нов и клеток; малые ядерные РНК, регулирующие процессы транскрипции (син
теза) мРНК на генах и процессы посттранскрипционных модификаций предше
ственников мРНК; малые цитоплазматические РНК, участвующие в регуляции
процессов трансляции (синтеза белка) на рибосомах; 4,5S и 7S РНК, играющие
структурную роль и собирающие на себе специальные белки с образованием
функционально важных рибонуклеопротеидных частиц, таких как SRP-
частицы,
ответственные за экспорт белков через клеточную мембрану (см. гл. 17); многие
другие виды РНК. Нельзя не упомянуть также открытые в 1982—1983 гг. катали
тические РНК — рибозимы (Чек и др., 1982; Алтман и др., 1983). Особый интерес
представляет класс так называемых микроРНК, открытых совсем недавно (2001)
и вызвавших настоящий научный бум. Оказалось, что микроРНК (короткие РНК
длиной всего 20—25 нуклеотидных остатков, комплементарные участкам мРНК)
в клетках высших организмов, в том числе человека, играют ключевую роль в ре
гуляции синтеза белков, определяющих эмбриональное развитие, клеточную диф
ференцировку и другие важные процессы (см. гл. 16). В настоящее время имеют
ся основания полагать, что экспрессия по крайней мере одной трети наших генов
контролируется различными микроРНК. В целом же только около 2% геномной
ДНК человека кодируют белки, и в то же время 80% генома транскрибируется в
различные виды некодирующих РНК, функции большинства из которых пока не
известны. Анализ «транскриптома», т.е. репертуара РНК, в клетках животных и
человека является одной из самых «горячих точек» современной молекулярной
биологии (см., например, обзор: Kapranov, P., Gγnεeras, T.
R., et al., 2007).
нента (рибосомная РНК), представляет собой подавляющую часть тотальной РНК
клетки. Было довольно логично предположить, что именно полирибонуклеотид
ные цепи рибосомных РНК служат матрицами для синтеза белков. «Долго счи
талось, что структурная информация переносится от генов к стабильным матри
цам, таким как рибосомная РНК, копирующим гены и поддерживающим в ци
топлазме информацию, необходимую для синтеза белков. Каждый ген, как по
лагали, детерминирует образование геноспецифических рибосомных частиц,
которые в свою очередь и обеспечивают синтез определенного белка (см. Крик,
1958)» (цит. по: Jaαob, ∆., anβ Monoβ, J., 1961, p. 195).
Для проверки этого предположения было проведено параллельное с ДНК
определение нуклеотидного состава тотальных РНК у тех же видов бактерий,
среди которых было найдено большое разнообразие состава ДНК (Спирин, Бе
лозерский и др., 1957; Белозерский и Спирин, 1958, 1960). Вопреки ожиданию,
что основная масса клеточной РНК как предполагаемый посредник в переносе
генетической информации от ДНК к белкам должна по своему нуклеотидному
составу копировать нуклеотидный состав ДНК своего организма (лишь с заме
ной тимина на урацил), оказалось, что состав тотальной РНК не повторяет со
става ДНК и вообще эволюционно гораздо более стабилен по сравнению с ДНК
(табл. 1.1). Этот результат вызвал сенсацию в научном мире. В 1959 г. Крик кон
статировал: «Проблема кодирования к настоящему времени прошла три фазы.
На первой фазе — фазе блужданий — были сделаны различные предположения,
но ни одно не было достаточно точным, чтобы выдержать возражения. Вторая
фаза — оптимистическая — была начата Гамовым в 1954 г.; он был достаточно
смел, чтобы предложить довольно точный код. Это стимулировало ряд исследо
вателей к тому, чтобы показать некорректность его предположений, и тем самым
несколько способствовало точности мышления в этой области. Третья фаза —
фаза замешательства — была инициирована статьей Белозерского и Спирина в
1958 г. Представленные там свидетельства показали, что наши идеи во многих
важных отношениях были слишком упрощенными» (цит. по: Krγαk, ∆.
C,, 1958,
p. 35). Описывая создавшуюся ситуацию, Жакоб и Моно добавляют следующее к
тому, что было процитировано ранее относительно предположения о кодирующей
Таблица 1.1
Сравнение нуклеотидного состава ДНК и РНК у некоторых бактерий
ДНК, (G
C)-(A
T)
РНК, (G
C)-(A
U)
Sarαγna lutea
2,57
1,32
Myαobaαterγum tuberαulosγs
1,45
Corybaαterγum βγphtherγae
1,20
1,24
Salmonella typhosa
1,13
1,21
Esαherγαhγa αolγ
1,09
1,21
Proteus vulεarγs
1,22
Staphyloαoααus aureus
1,05
Clostrγβγum perfrγnεens
1,06
(см. рис. 1.1,
). Разумеется, при синтезе РНК напротив А цепи ДНК устанавли
вается уридиловый рибонуклеотид (U) вместо тимидилового дезоксирибонукле
отида (T) при синтезе ДНК. Реплицирующаяся цепь РНК таким образом явля
ется точной копией противоположной цепи ДНК, α заменой Т на U. Процесс
репликации сопровождается отделением цепи РНК от ДНК. В результате такой
репликации РНК образуется как гибкий одноцепочечный полимер в отличие от
жесткой двойной спирали ДНК.
Будучи копиями определенных функциональных отрезков цепи ДНК — генов,
цепи РНК призваны служить матрицами для синтеза другого типа полимеров —
полипептидных цепей белков. Так как белки состоят из двадцати разных сортов
мономеров (аминокислот), а РНК — только из четырех сортов мономеров (ну
клеотидов), то детерминация аминокислотной последовательности полипептид
ной цепи нуклеотидной последовательностью РНК требует того, чтобы каждая
аминокислота кодировалась комбинацией из нескольких — не менее трех — ну
клеотидов. Действительно, именно триплетный код был сначала постулирован на
основании теоретических соображений, а затем и доказан экспериментально.
Таким образом, за РНК была признана
генетическая роль
посредника между
генами и белками: с одной стороны, РНК представлялась как совокупность ко
пий генов, т.е. копий отрезков ДНК, а с другой — как непосредственные матри
цы, последовательности нуклеотидных триплетов которых кодируют аминокис
лотные последовательности полипептидных цепей в процессе синтеза белков.
Вышесказанное и представляет собой «центральную догму молекулярной биоло
гии», сформулированную Криком и выраженную в виде схемы: ДНК
РНК
белок, где прямые стрелки обозначают необратимый поток информации от
ДНК через РНК к белку (рис. 1.2).
1.2. ВждаилцсаЭ а еЭвждаилцсаЭ
Ко второй половине 50-х гг. ХХ в. уже было установлено, что синтез белков в
живых клетках осуществляется рибонуклеопротеидными частицами — рибосома
ми — и что РНК, присутствующая в рибосомах в качестве их основного компо
Рис. 1.2. Центральная догма молекулярной биологии
Рис. 1.9. Неканонические пары оснований, встречающиеся в двуспиральных участках РНК.
Видно отличие неканонических пар от канонических (см. рис. 1.7) по тем или иным гео
метрическим параметрам
Рис. 1.10. Редкие неканонические пары оснований с участием N
пуринового кольца (хуг
стиновские пары), встречающиеся на торцах двуспиральных участков РНК и при вхожде
нии одноцепочечного участка РНК в большой (глубокий) желобок двуспирального
участка
Конформация двуспирального участ
ка РНК несколько отличается от клас
сической
формы двойной спирали
ДНК; двойная спираль РНК может су
ществовать лишь в
форме, близкой по
параметрам к
форме частично обез
воженной ДНК. При диаметре около
нм длина полного витка, или шаг,
двойной спирали
формы РНК составляет 3 нм (вместо 3,4 нм в
ДНК), рас
стояние между плоскостями пар оснований вдоль оси спирали — 0,27—0,28 нм
(вместо 0,34 нм в
ДНК), и соответственно один виток спирали включает в себя
11 пар оснований (а не 10, как в
ДНК). Главное отличие состоит в том, что
пары оснований в двойной спирали
ДНК и РНК сильно сдвинуты от оси к
периферии спирали в сторону малого желобка (рис. 1.8), в результате чего малый
желобок становится очень мелким, а большой желобок — очень глубоким (ср.
формы на рис. 1.I цв. вкл.).
Другая важная особенность большинства внутрицепочечных двойных спира
лей РНК — это формирование некоторого количества неканонических пар осно
ваний — прежде всего пары G:U (U:G), самой близкой к каноническим парам
по своим геометрическим (и энергетическим) параметрам (рис. 1.9, вверху слева).
Реже встречаются пары, больше отличающиеся от канонических, — G:A (A:G)
и U:U, и значительно реже
— А
А, А
С и U:C (см. рис. 1.9). Неканоничесие пары
обычно образуются либо на краях двуспиральных участков, либо вписываются в
двойную спираль, несколько искажая ее классическую конформацию и дестаби
лизируя ее. На краях двуспиральных участков и в местах искажений двойной
спирали могут формироваться и неканонические пары другого типа, где в спари
вании участвуют атомы азота в положении 7 пуринового ядра — так называемые
хугстиновские пары оснований (
Hooεsteen base paγrs
) (рис. 1.10). Хугстиновские
пуриновые взаимодействия могут иметь место также при внедрении одно
цепочечного участка РНК в большой (глубокий) желобок двуспирального участ
ка РНК (см., например, гл. 3, рис. 3.8).
Еще одной особенностью двуспиральных участков РНК является возможность
так называемых боковых выпетливаний — участков одноцепочечной РНК, не
вписывающихся в двойную спираль и образующих однонуклеотидные выступы,
дву-, три- или многонуклеотидные петли с боковой стороны спирали (рис. 1.11).
Эти выпетливания искажают конформацию двойной спирали и дестабилизируют
ее, но в то же время участвуют в формировании третичных структур РНК. При
мер сильного искажения спирали — ее резкого излома — в месте тринуклеотид
ной боковой петли показан на рис. 1.12.
Рис. 1.8. Вид с торца двойной спирали РНК
-форме.
Верхняя пара оснований представлена черными
линиями (связи) и кружками (атомы), располо
женная под ней пара — серыми. Диаметр двойной
спирали 2 нм, шаг спирали 3 нм, расстояние
между плоскостями пар оснований вдоль оси
спирали 0,27—0,28 нм
крученных вокруг общей оси, а РНК —
однотяжевой полимер. В то же время
взаимодействия боковых групп — азо
тистых оснований — друг с другом при
водят к тому, что однотяжевой полимер
РНК сворачивается на себя, формируя
вторичную и третичную структуры.
Вторичная структура РНК образуется
в основном за счет парного взаимо
действия смежных участков полину
клеотидной цепи с формированием
коротких двуспиральных участков, где
спаренные участки цепи имеют про
тивоположную направленность, т.е.

параллельны» (рис. 1.6). Это спа
ривание соседних участков цепи происходит благодаря комплементарным взаи
модействиям между основаниями противоположных цепей с образованием, в
основном, типичных, или канонических (уотсон-
криковских), пар G:C, A:U,
C:G и U:A (рис. 1.7).
Рис. 1.6. Схема вторичной структуры РНК,
формирующейся за счет парных комплемен
тарных взаимодействий смежных участков
полирибонуклеотидной цепи («шпилечная
структура»)
Рис. 1.7. Канонические (уотсон-криковские) пары оснований, идентичные по своим гео
метрическим параметрам — расстоянию между гликозидными центрами (С
-атомами
рибозы), взаимному расположению гликозидных центров и углу между N-гликозидными
связями
эукариот (митохондриях и хлоропластах), рибосомы и ДНК не разделены мем
браной, поэтому мРНК становится доступной для рибосом во время транскрип
ции, и тогда же начинается синтез белка; этот феномен называется
сопряженной
трансляцией
Белки состоят из аминокислот. Однако синтетическая машина рибосомы не
использует свободные аминокислоты. Для того чтобы стать субстратом в процессе
синтеза белка, аминокислота должна сначала связаться с аденилатной частью мо
лекулы АТФ — это процесс активации аминокислоты. Затем аминокислотный
остаток ковалентно связывается со специфической молекулой тРНК, т.е. проис
ходит ковалентное акцептирование аминокислоты. Оба процесса катализируются
одним и тем же ферментом, называемым аминоацил-
синтетазой. Для каж
дой аминокислоты существует своя специфическая аминоацил-
синтетаза,
которая и присоединяет данный аминокислотный остаток к специфическим мо
лекулам тРНК. Молекулы аминоацил-
тРНК, образующиеся в результате этих собы
тий, рибосома использует как субстраты для синтеза белка, а
энергия химической
связи
между аминокислотным остатком и тРНК используется для образования
пептидной связи. Таким образом, процессы активации аминокислот и образования
аминоацил-
тРНК обеспечивают как материал, так и энергию для синтеза белка.
рспользуя мРНК как программу и аминоацил-
тРНК как высокоэнергетиче
ский субстрат, рибосомы переводят (транслируют) генетическую информацию с
языка мРНК на язык аминокислот, характерный для полипептидных цепей. В
лекулярных терминах это означает, что во время передвижения вдоль цепи мРНК
рибосома последовательно выбирает из окружающей среды надлежащие виды
аминоацил-
тРНК. Специфичность аминокислотного остатка аминоацил-
выбранной рибосомой, определяется комбинацией нуклеотидов в цепи мРНК,
ассоциированной с рибосомой. Это приводит к проблеме генетического кода —
комбинаций нуклеотидов, которые определяют (кодируют) каждую из 20 природ
ных аминокислот. Данные комбинации нуклеотидов представляют собой трипле
ты, называемые
кодонами
Таким образом, движение рибосомы вдоль цепи мРНК (или перемещение
мРНК через рибосому) задает строгий временно´й порядок вхождения различных
видов аминоацил-
тРНК в рибосому, который зависит от последовательности ко
донов в цепи мРНК. В рибосоме аминокислотный (аминоацильный) остаток
каждой выбранной аминоацил-
тРНК ковалентно прикрепляется к растущей по
липептидной цепи. Деацилированная тРНК освобождается в раствор. В каждом
акте выбора аминоацил-
тРНК и освобождения деацилированной тРНК рибосо
ма потребляет добавочную энергию, освобождаемую в результате гидролиза ГТФ.
Все это приводит к пошаговому формированию полипептидной цепи в соответ
ствии с программой, записанной в цепи мРНК.
1.4. Зиаеоазу движджгЭвлгчиежб йкилвклиу
кжиапеч йкилвкли
Принципиальное макроструктурное различие двух типов нуклеиновых кислот
состоит в том, что ДНК — это единая двойная спираль, т.е. макромолекула, по
строенная из двух комплементарно связанных полимерных тяжей, спирально за
тельным изменениям, которые называются
процессингом
, в результате чего опреде
ленные части нуклеотидной последовательности могут быть вырезаны из РНК, а
в некоторых случаях изменены или отредактированы. Зрелая РНК связывается с
рибосомами и служит программой, или матрицей, которая определяет аминокислот
ную последовательность в синтезируемом белке, — это информационная РНК
(мРНК). Другими словами, поток информации от ДНК к рибосомам обеспечивает
ся транскрипцией генов и процессингом РНК, приводящим к образованию мРНК.
В клетках эукариот образование мРНК, т.е. транскрипция, и большая часть
процессинга происходят в ядре. В то же время функционирующие рибосомы на
ходятся в цитоплазме. Таким образом, в потоке информации, идущем от ДНК к
рибосомам, необходимой стадией является
транспорт
мРНК из ядра в цито
плазму. В клетках прокариот, как и в органеллах, расположенных в цитоплазме
Рис. 1.5. Общая схема биосинтеза белка
зывающаяся с рибосомой и определяющая порядок вхождения различных ами
ноацилированных тРНК в рибосому, а тем самым — аминокислотную последо
вательность синтезируемого белка (рис.
1.4).
сч йнЭд ажйаекЭ Эгвж
Основные этапы биосинтеза белка схематически представлены на рис. 1.5.
центре всех событий этого процесса находятся рибосомы.
Рибосома
представ
ляет собой большой макромолекулярный комплекс со сложной асимметричной
четвертичной структурой, состоящей из рибонуклеиновых кислот (рибосомных
РНК) и белка (рибосомного белка). Для того чтобы синтезировать белок, рибо
сома должна быть снабжена: 1) программой — мРНК, определяющей последова
тельность аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка; 2) субстра
том — аминокислотами, из которых будет синтезирован белок; 3) химической
энергией. Сама рибосома является катализатором процесса формирования пеп
тидных связей, т.е. процесса последовательной полимеризации аминокислотных
остатков с образованием полипептидной цепи.
Программа, которая определяет последовательность аминокислотных остатков
в полипептидной цепи белка, приходит от ДНК, т.е. из генома клетки. Отдельные
участки двухцепочечной молекулы ДНК, которые называются генами, служат ма
трицами для синтезируемых одноцепочечных молекул РНК. Синтезированные
молекулы РНК являются комплементарными репликами одной из цепей ДНК и,
таким образом, представляют собой точную копию нуклеотидной последователь
ности другой цепи ДНК. Этот процесс копирования генов, выполняемый фермен
полимеразой, называется
. В клетках эукариот, и в мень
шей степени в клетках прокариот, синтезируемая РНК может подвергаться дополни
Рис. 1.4. Кодирующая РНК (мРНК) и два основных типа некодирующих РНК (рибосомные
РНК и тРНК)

Приложенные файлы

  • pdf 5885960
    Размер файла: 701 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий