БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Ген и его роль в биосинтезе белка. Код ДНК. Белки являются важнейшими компонентами живого, так как они составляют са­мую большую по массе часть органических веществ клетки и обес­печивают уникальность ее химического состава, структурной орга­низации и функциональной активности. Практически все хими­ческие процессы в клетке осуществляются белками-ферментами, белки входят в состав плазматической мембраны и мембран кле­точных органоидов и т.д. Каждая клетка имеет свой специфичес­кий набор белков, характерный именно для нее. Он отличается от набора белков, характерного для клеток другого организма и для клеток других тканей данного организма, поскольку в каждой клетке осуществляется синтез специфичных для нее белков. Ин­формация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, хранится в ядре и в ДНК-содержащих орга­ноидах (митохондриях и пластидах), она записана в виде последо­вательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Часть молекулы ДНК, последовательностью нуклеотидов в которой определяется после­довательность аминокислот в индивидуальном белке, называется геном. В молекуле ДНК в зависимости от эволюционного пути орга­низма может содержаться от сотен до десятков тысяч генов.

Каким же образом последовательность нуклеотидов определя­ет последовательность аминокислот? Молекула ДНК построена из четырех типов нуклеотидов, т.е. вся информация, закодиро­ванная в ДНК, записана всего четырьмя "буквами" (А, Г, Т, Ц). Согласно математическим расчетам, для кодирования одной ами­нокислоты требуется более одной "буквы" (одного нуклеотида), гак как в белках обнаруживается 20 различных аминокислот. По­скольку из 4 нуклеотидов можно составить лишь 16 различных комбинаций по два нуклеотида (4²=16), что меньше 20, то "сло­во", кодирующее определенную аминокислоту, должно состоять более чем из двух "букв". Если записывать кодирующее "слово" сочетанием трех "букв" (нуклеотидов), то число различных вари­антов будет составлять 4³=64. Этого количества комбинаций более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот. Действительно, у всех живых организмов код ДНКтриплетный: каждая аминокис­лота "записывается" комбинацией из трех нуклеотидов (трипле­том).

Сочетания из трех нуклеотидов, кодирующие определенные аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом. В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, т.е. извест­но, какие конкретно триплетные сочетания нуклеотидов кодиру­ет входящие в состав белка 20 аминокислот. Пользуясь комбина-цией, состоящей из трех нуклеотидов, можно сделать значительнобольшее количество кодирующих "слов", чем это необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что одна аминокисло­та может кодироваться более чем одним триплетом, т.е. генетичес­кий код вырожден. Так, например, аминокислоты лейцин и арги­нин кодируются не одним, а шестью разными триплетами. Только две аминокислоты (триптофан и метионин) кодируются одним триплетом. Нужно отметить, что термин "вырожденный" не озна­чает "неточный", так как один триплет не может кодировать две аминокислоты. Триплеты в молекуле иРНК, кодирующие опреде­ленные аминокислоты, называются кодонами.

Существенная особенность генетического кода заключается в том, что в нем отсутствуют сигналы, отделяющие одно кодирую­щее трехбуквенное "слово" от другого. Именно поэтому считыва­ние информации должно начинаться с правильного места моле­кулы ДНК (или иРНК) и продолжаться последовательно от од­ного кодона к другому в пределах так называемой "рамки считы­вания". В противном случае последовательность нуклеотидов ока­жется измененной во всех кодонах. Это подтверждается обнаруже­нием мутаций, при которых из последовательности либо выпада­ет (делеция), либо встраивается в нее (вставка) один или два нуклеотида. При этих мутациях в результате сдвига рамки считывания с молекулы иРНК синтезируется дефектный белок с совершенно другой первичной структурой. В том случае, если выпадает или встраивается три нуклеотида, синтезируется белок, который от­личается от нормального отсутствием одной аминокислоты (в слу­чае делеции трех нуклеотидов) или появлением дополнительной аминокислоты (в случае вставки трех нуклеотидов).

Еще одна особенность генетического кода заключается в том, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а своеобразные "знаки препинания". Они являются стоп-сигнала­ми, которые сигнализируют об окончании синтеза полипептид­ной цепи, и называются бессмысленными кодонами, или стоп-кодонами.

Генетический код универсален, т.е. триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, одинаковы у всех живых существ: один и тот же кодон кодирует определенную аминокислоту как у челове­ка, так и у вируса, бактерии или растения. Таким образом, гене­тический язык одинаков для всех видов, т.е. с одной молекулы иРНК будет синтезироваться одинаковый белок и в клетках чело­века, и в клетках мыши, и в клетках растений, грибов или бакте­рий. Универсальность генетического кода свидетельствует о том, что он возник в процессе эволюции почти в том виде, в котором существует и сегодня.

Эта важнейшая особенность генетического кода широко используется в последнее время в одном из направлений биотехнологии — генетичес­кой (генной) инженерии. Генетическая инженерия — это раздел молеку­лярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Искусственно созданный генети­ческий материал способен размножаться в клетке-хозяине и обеспечи­вать синтез закодированных в нем белковых продуктов. Возникновение генной инженерии стало возможно благодаря развитию молекулярной биологии, генетики, биохимии и микробиологии.

Метод генной инженерии включает три основных этапа:

· получение нужного гена (выделение гена из природного источни­ка или его искусственный синтез);

· включение этого гена в молекулу ДНК-переносчика — получение рекомбинантной (гибридной) молекулы ДНК (рекДНК);

· введение рекДНК (с включенным в нее новым геном) в бактери­альную клетку или в клетку растения или животного (трансформа­ция), где она встраивается в генетический аппарат.

Гибридная ДНК имеет обычно вид кольца и называется плазмидой. Она содержит нужный ген (или несколько генов) и вектор. Вектор — это фрагмент ДНК, обеспечивающий проникновение и размножение гиб­ридной ДНК в клетке-хозяине и синтез конечных продуктов деятельно­сти генетической системы — белков. Большая часть векторов получена на основе фагов, вирусов, плазмид дрожжей и различных бактерий. После введения рекДНК в клетку-хозяина активируется синтез белка с распо­ложенных на ней генов. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина ис­пользуют кишечную палочку, однако применяют и другие бактерии, дрож­жи, животные или растительные клетки.

Ключевую роль в конструировании гибридной ДНК играют два типа ферментов: рестриктазы рассекают молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам, а ДНК-лигазы сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Гены, подлежащие клонированию (т.е. выделению, очистке от примес­ных фрагментов ДНК и дальнейшему размножению и практическому использованию), могут быть получены в составе фрагментов путем дроб­ления молекулы ДНК. Но многие гены приходится либо синтезировать химически, либо получать в виде ДНК-копии (или кДНК) с иРНК, соответствующих избранному гену, с помощью фермента обратной транскриптазы. При получении рекДНК чаще всего образуется несколько струк­тур, из которых нужна только одна. Поэтому обязательно проводят селек­цию трансформированных клеток для отбора клонов, содержащих нуж­ную рекДНК.

В результате интенсивного развития методов генетической инжене­рии получены клоны микроорганизмов, продуцирующих инсулин и дру­гие пептидные гормоны человека, интерферон человека и многие другие белки. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности. Инсулин человека, полученный с помощью рекДНК, уже допущен для лечебного примене­ния.

Реакции матричного синтеза. Синтез белка осуществляется на рибосомах в цитоплазме клетки. В то же время информация о пос­ледовательности аминокислот в белке хранится в ДНК (в ядре). Как говорилось выше, перед началом синтеза определенного бел­ка в ядре образуется иРНК — посредник, переносящий информа­цию от ДНК к рибосомам. Молекула иРНК синтезируется с использованием в качестве матрицы определенного участка ДНК (гена). Затем молекула иРНК покидает ядро (в случае клеток эукариот) и перемещается в цитоплазму. Связываясь с рибосомами, она в свою очередь служит матрицей, на которой происходит синтез белка (рис.Х.33).

Синтез иРНК осуществляется в ядре с помощью фермента, называемого ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Вновь синтезиро­ванная иРНК имеет нуклеотидный состав, коплементарный нуклеотидному составу использованной для копирования нити ДНК, и является точной копией второй нити с той лишь разницей, что остаткам аденина во второй нити ДНК-матри­цы соответствуют остатки урацила в синтезированной иРНК. Таким образом, ин­формация, имеющаяся в гене, в процессе синтеза иРНК "пере­писывается" на нее. Этот процесс называется транскрипцией (пе­реписыванием).

Рис.Х.33. Реакции матричного синтеза при реализации генетической информа­ции. На участке молекулы ДНК (гене), как на матрице, синтезируется молекула иРНК (транскрипция), а затем на этой молекуле иРНК, как на матрице, проис­ходит синтез молекулы белка (трансляция)

Процесс транскрипции вместе с реакцией самоудвоения ДНК (репликацией — см. выше) относят к реакциям матричного синте­за, т.е. реакциям, которые идут с использованием матрицы. Мат­рица — это готовая структура, в соответствии с которой осуще­ствляется синтез новой структуры. При синтезе ДНК (реплика­ции) и синтезе иРНК в качестве матрицы используется одна из нитей ДНК, на которой образуется комплементарная ей нить (см. рис.Х.28). Таким образом, в результате реакций матричного син­теза образуются структуры, построенные по строго определенно­му плану. Реакции матричного синтеза характерны лишь для жи­вой природы, в результате их осуществления становится возмож­ным передача информации от одного поколения живых существ к потомству, а также синтез молекул белков в соответствии с ин­формацией, заложенной в генетическом материале. Для синтеза белковых молекул необходимо осуществление двух типов реак­ций матричного синтеза: транскрипции, которая обеспечивает пе­ренос генетической информации от гена в молекуле ДНК на иРНК, и трансляции.

Термином трансляция (перевод) в биологии обозначают реак­ции, в результате которых в рибосомах с использованием иРНК в качестве матрицы синтезируется полипептидная цепь. Это также реакция матричного синтеза. Полипептидная цепь удлиняется в процессе синтеза путем последовательного присоединения отдель­ных аминокислотных остатков, начиная с N-концевого. Для того чтобы понять, каким образом осуществляется образование пеп­тидной связи между соответствующими аминокислотами, необ­ходимо рассмотреть структуру рибосом и транспортных РНК (тРНК), участвующих в процессе трансляции.

Рибосомы эукариот имеют диаметр около 22 нм и молекуляр­ную массу около 4 млн. дальтон. Рибосомы прокариот, а также рибосомы митохондрий и пластид более мелкие. Каждая из них состоит из двух неравных субъединиц (большой и малой), причем субъединицы могут отделяться друг от друга. В состав каждой субъе­диницы входят рибосомальная РНК (рРНК) и большое количе­ство разных белков. Некоторые белки рибосом выполняют катали­тические функции, т.е. являются ферментами.

Молекулы тРНК невелики: в их состав входит 75—90 нуклеотидов, молекулярная масса составляет 23000—30000 дальтон. В про­цессе синтеза полипептидной цепи тРНК приносят в рибосомы определенные аминокислоты, при этом каждая аминокислота имеет соответствующие транспортные тРНК (рис.Х.34). Все моле­кулы тРНК способны образовывать характерную конформацию — конформацию клеверного листа. Она возникает потому, что в струк­туре молекулы тРНК имеется значительное количество зон, обла­стей (по 4—7 нуклеотидов в одном участке), комплементарных друг другу. Внутримолекулярное спаривание таких нуклеотидов за счет образования водородных связей (формирование "шпилек") и приводит к образованию такой структуры.

У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеоти­дов, который комплементарен соответствующему кодону иРНК. Этот триплет различен для тРНК, переносящих разные амино­кислоты, и соответствует именно той аминокислоте, которая пе­реносится данной тРНК. Он называется антикодоном. У основания клеверного листа находится участок, в котором связывается ами­нокислота. Связывание аминокислоты с тРНК осуществляется за счет образования связи между карбоксильной группой аминокис­лоты и ОН-группой остатка рибозы аденилового нуклеотида, рас­полагающегося в концевой части молекул всех тРНК. Таким обра­зом, молекула тРНК не только переносит определенную амино­кислоту, она имеет в своей структуре запись о том, что она переносит именно эту амино­кислоту, причем запись сде­лана на языке генетическо­го кода.

Реакцию связывания ами­нокислот с тРНК катализиру­ют специальные ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы. Эта реакция требует затрат энергии и сопровождается рас­щеплением АТФ, причем от молекулы АТФ в этой реакции отщепляются сразу два остат­ка фосфорной кислоты — пирофосфат, который быстро расщепляется специальным ферментом на два остатка фос­форной кислоты. Таким обра­зом, для "активации" одной аминокислоты, т.е. для ее при­соединения к молекуле тРНК с образованием аминоацил-тРНК, требуется энергия двух макроэргических связей моле­кулы АТФ. В общем виде реак­цию присоединения амино­кислоты к тРНК можно запи­сать в следующем виде:

Рис.Х.34. Принципиальная схема синтеза бел­ка на рибосоме с использованием и РНК в качестве матрицы. Показано образование аминоацил-тРНК, связывание рибосомами аминоацил-тРНК, антикодоны которых компле­ментарны соответствующим кодонам иРНК, образование пептидной связи и удаление из рибосомы освободившейся молекулы тРНК

аминокислота + тРНК +

+ АТФ → аминоацил-тРНК +

+ АМФ + 2Ф_Н.

Рибосомы способны свя­зывать иРНК, несущую ин­формацию об аминокислот­ной последовательности синтезируемого белка, тРНК, несущие аминокис­лоты, и, наконец, синтези­руемую полипептидную цепь. Малая субъединица рибосомы обеспечивает "расшифровку" генетической информации: она связывает иРНК и тРНК, несущую первую (N-концевую) аминокислоту полипептидной цепи. После этого связывается большая субъединица и образуется функционирую­щая (работающая) рибосома. Затем в рибосому поступает вторая молекула аминоацил-тРНК. Большая субъединица рибосомы ка­тализирует образование пептидной связи между аминокислотами, принесенными в рибосому двумя молекулами тРНК (реак­цию транспептидации).

Процесс синтеза белка можно условно разделить на три фазы: начало синтеза белка (инициацию), т.е. присоединение к малой субъединице иРНК первой аминоацил-тРНК и большой субъеди­ницы, удлинение белковой цепи (элонгацию) за счет последова­тельного продвижения рибосомы по молекуле иРНК и переноса синтезируемого полипептида на вновь прибываемые молекулы аминоацил-тРНК, и окончание синтеза (терминацию), когда ри­босома встречает в молекуле и РНК стоп-кодон (сигнал об окон­чании синтеза) и освобождает молекулу синтезированного белка.

По мере сборки полипептидной цепи рибосома передвигается вдоль нитевидной молекулы иРНК. Одновременно на одной моле­куле иРНК может находиться несколько рибосом, каждая из ко­торых осуществляет синтез полипептидной цепи, закодирован­ной этой иРНК. Такую структуру называют полисомой. Чем дальше по цепи иРНК продвинулась рибосома, тем больший по длине фрагмент молекулы белка будет синтезирован. Когда рибосома достигает конца рамки считывания молекулы иРНК, синтез бел­ка заканчивается и рибосома распадается на субъединицы, осво­бождает вновь синтезированный белок, после чего малая субъе­диница покидает молекулу иРНК. Считывание информации с молекулы иРНК возможно только в одном направлении.

Следует отметить, что как для инициации трансляции (связывания с малой субъединицей рибосомы иРНК, первой аминоацил-тРНК и боль­шой субъединицы), так и для терминации трансляции (освобождения рибосомой синтезированного белка, иРНК и ее разделения на две субъе­диницы) необходимы специальные белки — факторы инициации и фак­торы терминации. Эти белки содержат связанную молекулу ГТФ, которая гидролизуется до ГДФ и Ф_н при их взаимодействии с рибосомой. Таким образом, начало и окончание трансляции требуют затрат энергии.

Еще в процессе синтеза вновь образованный конец полипеп­тидной цепи может связываться со специальными белками шаперонами, обеспечивающими ее правильную укладку, а затем белок транспортируется к аппарату Гольджи, где он может дополни­тельно модифицироваться, или в те органоиды и участки клетки, где он будет работать. Рибосома, которая освободилась от иРНК и синтезированной полипептидной цепи, диссоциирует (распада­ется) на субъединицы, после чего малая субъединица, связав­шись с новой молекулой иРНК, может связать большую субъеди­ницу и образовать активную рибосому, способную начать синтез нового (или того же самого) белка.

Активный центр рибосомы, в котором осуществляется образо­вание пептидной связи между двумя соседними аминокислотами, устроен таким образом, что в нем одновременно могут находить­ся два соседних кодона (триплета) иРНК. На первом этапе синтеза белка тРНК связывается с иРНК за счет взаимодействия кодон-антикодон (см. рис.Х.24). Поскольку антикодон, расположенный на тРНК, и кодон, находящийся на иРНК, комплементарны, между входящими в их состав азотис­тыми основаниями образуются водородные связи. На втором эта­пе аналогичным образом осуществляется связывание с соседним кодоном второй молекулы тРНК. При этом молекулы тРНК ори­ентируются в активном центре рибосомы таким образом, что кар­боксильная группа первого аминокислотного остатка, связанного с первой тРНК, оказывается поблизости от свободной аминог­руппы аминокислотного остатка, входящего в состав второй тРНК. Таким образом, за счет взаимодействия кодон-антикодон между последовательно расположенными кодонами иРНК и соответству­ющими антикодонами тРНК рядом оказываются именно те ами­нокислоты, которые последовательно закодированы в иРНК.

На следующем этапе в результате взаимодействия свободной аминогруппы, входящей в состав аминокислотного остатка вновь пришедшей (второй) тРНК, с этерифицированной карбоксиль­ной группой С-концевого аминокислотного остатка первой ами­нокислоты происходит реакция. Она осуществляется путем заме­щения, причем уходящей группой является молекула первой тРНК. В результате такого замещения вторая молекула тРНК, несущая уже дипептид, оказывается связанной с рибосомой. Для катализа этой реакции требуется фермент, называемый пептидилтрансферазой, который входит в состав большой субъединицы рибосомы.

На следующем этапе рибосома перемещается по молекуле иРНК "на один шаг" так, что тРНК со связанным пептидом оказывает­ся в том участке рибосомы, в котором была связана первая моле­кула тРНК. Этот процесс перемещения является результатом из­менения конформации рибосомы. При этом в активном центре рибосомы оказывается следующий кодон иРНК, к которому при­соединяется следующая молекула тРНК, после чего описанные выше события повторяются.

Процесс удлинения полипептидной цепи (элонгация) также требует определенных затрат энергии. Для связывания с рибосомой аминоацил-тРНК и для удаления из активного центра рибосомы свободной тРНК требуется взаимодействие с рибосомой двух специальных белков — фак­торов элонгации. Эти белки способны связывать молекулы макроэргического соединения — ГТФ, а их взаимодействие с рибосомой сопровожда­ется гидролизом ГТФ до ГДФ и Ф_н Таким образом, каждый "шаг" рибо­сомы, т.е. удлинение полипептидной цепи на одну аминокислоту, сопро­вождается затратой энергии двух макроэргических связей. Освобождае­мая при этом энергия затрачивается не на образование пептидной связи (для этого достаточно энергии, "запасенной" в молекуле аминоацил-тРНК), а на изменение конформации рибосомы, что значительно уско­ряет связывание с ней аминоацил-тРНК и диссоциацию свободных тРНК. Поэтому синтез белка в отсутствие факторов элонгации и ГТФ может протекать только с очень низкой скоростью. В нормальных условиях синтез белка осуществляется с высокой скоростью. Так, у прокариот скорость трансляции составляет от 10 до 15 триплетов в секунду, т.е. белок, состоящий из 600 амино­кислот, синтезируется менее чем за 1 минуту. У эукариот скорость трансляции варьирует в более широких пределах: от 1 до 10 трип­летов в секунду в зависимости от типа клеток, их физиологичес­кого состояния и природы транслируемой иРНК.

Как было показано выше, все процессы синтеза, в результате которых из более простых молекул образуются более сложные, осуществляются с затратой энергии. Биосинтез белка представля­ет собой цепь реакций, протекающих с затратой энергии. Так, для связывания самой аминокислоты с тРНК требуется энергия двух макроэргических фосфатных связей. Кроме того, при образовании самой пептидной связи используется энергия еще двух макроэр­гических фосфатных связей. Таким образом, для образования од­ной пептидной связи в молекуле белка требуется такое количе­ство энергии, которое запасено в четырех макроэргических связях молекул АТФ и ГТФ. Энергия затрачивается также на стадии ини­циации и терминации трансляции.