II.7. СТРОЕНИЕ ЗРЕЛОЙ мРНК
После всех вышеуказанных преобразований молекула РНК готова к переходу на следующий уровень, синтезу белка. Если ДНК и РНК похожи по строению нуклеотидов, то с аминокислотами у них нет ничего общего. Поэтому перекодирующее устройство много сложнее, хотя если сравнивать количество белков (частей машины), которое участвует в переходах ДНК-РНК и РНК-белок, то оно примерно одинаковое. Это можно объяснить тем, что основная работа этих комплексов состоит не в собственно перекодировке, а в распознавании сигналов когда, что и в каком количестве кодировать. Для того, чтобы решить, надо обрабатывать незрелую тоже существуют свои знаки, если их нет, то слово считано неправильно и подлежит уничтожению, у строителей нет лишнего времени и стройматериалов, от их слаженной работы зачастую зависит жизнь организма.
Зрелая мРНК состоит из колпачка, 5'-нетранслируемого участка, инициирующего кодона (старт-кодона), цепи нуклеотидов, которые кодируют последовательность аминокислот будущего белка, конечного кодона (стоп-кодона), 3'-нетранслируемого участка и поли(А)фрагмента. Первым делом закрепляются концы, без закрепления неустойчивый полимер быстро развалится. У эукариот после завершения собственно транскрипции 5'-конец растущей молекулы РНК блокируется структурой, которая называется шапочкой или кэп (от англ. cap). В случае мРНК шапочка состоит из 7'-метил-ГТФ. Белковый колпачок защищает мРНК от 5'-экзонуклеазами эндонуклеаз, разрушающих нуклеотидные цепи РНК путем гидролиза.
В эукариотах мРНК инициирующий кодон — начальный участок кодирующей части мРНК, одинаков во всех мРНК. Он представляет собой последовательность нуклеотидов АУГ и кодирует аминокислоту метионин.
При наличии всех требуемых знаков в начале цепочки строится молекулярное сооружение под названием «шапка», а в конце цепочки нуклеотидов надстраивается олигомер из аденозинов — в конце транскрипции к 3'-концу присоединяется полиадениловая последовательность (поли(А) фрагмент), которая может включать до 200 звеньев адинозин-монофосфата… К концу незрелой мРНК добавляется хвост из нескольких молекул аденина. Такой хвост важен для предотвращения разрезания мРНК РНК-азами. Он него постепенно отрезаются нуклеотиды, когда он укоротиться до 30 нуклеотидов колпачок на 5 конце распадается и мРНК подвергается деполимеризации РНК-азами и эндонуклеазами. Наличие и длина этого хвоста определяют жизнестойкость всей молекулы мРНК, определяет ее продолжительность жизни.
Иногда за счет склеивания шапочки и хвоста мРНК образует кольцо. Это тоже способ защитить молекулу от разрезания РНК-азами. Перед хвостом имеется так называемая нетранслируемая область, состоящая из нескольких нуклеотидов. 5'-нетранслируемый участок служит для связывания с рибосомой.
Только после этого созревшая мРНК покидает ядро. В эукариотах зрелая мРНК должна быть траснпортирована из ядра в цитоплазму. Белковые машины ядерных пор работают как стражи и выпускают из ядра только полностью зрелую мРНК. Поэтому после созревания мРНК передвигается через ядерные поры в цитоплазму.
Во многих протяженных клетках мРНК должна быть перевезена от ядра к эндоплазматической сети, находящейся далеко от ядра, например, в клеточных отростках. Например, нервные клетки имеют длинные до 1,5–2 м в длину у человека отростки дендриты и аксоны, по которым нервные импульсы идут на периферию и от периферийных тканей к телу нервной клетки. Как и куда будет доставлена мРНК зашифровано как раз в нетранслируемой области мРНК (197, 229).
II.8. ТРАНСПОРТНЫЕ РНК
Кроме рибосом, для синтеза белка необходимы особые молекулы-посредники, которые "читают" инструкции, записанные в информационной молекуле РНК, и в соответствии с этими инструкциями присоединяют к синтезируемой молекуле белка нужные аминокислоты. В роли этих посредников выступают опять-таки молекулы РНК (транспортные РНК, или тРНК) (написано на основе 91). Транспортные РНК (тРНК) участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного связующего звена между нуклеиновыми кислотами и белками. Их задача — транспортировать активированные аминокислоты к месту синтеза белка на рибосомах.
На 3'-конце (ЦЦА-3') они несут ту аминокислоту, которая согласно генетическому коду соответствует очередному кодону мРНК.
На долю тРНК приходится примерно 10–15 % общего количества клеточной РНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется, по крайней мере, одна специфическая РНК (для ряда аминокислот открыто более одной, в частности, для серина — 5 разных тРНК, для лизина и глицина — по 4 разных тРНК, хотя и в этом случае каждая тРНК связана со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой). Молекула тРНК имеет пространственную структуру в форме кленового листа. Вторичная структура тРНК ("клеверный лист") высоко консервативна, скорость эволюции низка. Молекулы тРНК сохраняют свои кодирующие функции миллиарды лет.
Транспортные РНК являются небольшими по величине молекулами, состоящими из 70–95 нуклеотидов. Молекулярная масса большинства тРНК колеблется от 24 000 до 29 000 Да. Молекула тРНК имеет четыре места склейки нуклеотидов, эти склейки имеют размер от 4 до 6 пар нуклеотидов. В трехмерном виде вся молекула напоминает русскую букву "Г". В результате внутримолекулярной склейки (интерференции) нуклеотидов образуется 5 петель, состоящих из одной цепи нуклеотидов. На одной из таких цепей и располагается так называемый антикодон, который представляет собой три последовательных нуклеотида, комлементарных кодонам аминокислот генетического кода. Очень часто первый нуклеотид антикодона представлен нуклеотидами, которые не входят ни в РНК, ни в ДНК. Наиболее часто такими нуклеотидами являются инозин и псевдоуридин. Эти нуклеотиды могут образовывать водородные связи с несколькими, а не только с комплементарными нуклеотидами.
Если исходить из генетического кода, то требуется 61 тип тРНК. На самом деле многие клетки имеют меньшее число типов тРНК.
Первые нуклеотиды антикодона, которые могут образовывать водородные связи сразу с несколькими нуклеотидами, позволяют уменьшить число разных тРНК до 31 типа. Это показывает, что генетический код является ещё более вырожденным, чем это кажется.
Наличие тРНК предсказал Ф. Крик. Затем тРНК были идентифицированы, их нуклеотидные последовательности и трехмерная организация расшифрованы. Интересно, что все тРНК обладают не только удивительно сходными функциями, но и очень похожей трехмерной структурой. Общей для тРНК оказалась также нативная трехмерная организация, установленная методом рентгеноструктурного анализа и названная первоначально конформацией клеверного листа; на самом деле эта конформация имеет неправильную, Г-образную форму. В плоскости тРНК вроде как образуют фигуру типа "кленового листа". После свертывания в пространстве фигура становится более похожей на букву "Г".
Аминокислоты присоединяются к свободной 3'-ОН-группе концевого мононуклеотида, представленного во всех тРНК АМФ, путем образования эфирной связи. Процесс химического связывания тРНК с соответствующей аминокислотой называется аминоациляцией и процесс этот реализуется с помощью специальных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз. При реакции расходуется одна молекула АТФ. Обычно имеется одна аминоацил-тРНК-синтетаза для каждой из 20 аминокислот. Многие организмы лишены какого-либо из этих 20 ферментов.
тРНК синтезируются в ядре РНК-полимеразой-III, тогда как незрелая мРНК синтезируется РНК-полимеразой-II. Молекулы тРНК синтезируются в виде незрелых тРНК, содержащих интроны. У бактерий при синтезе они сами собой вырезаются. У эукариотов интроны удаляются специальными эндонуклеазами сплайсинга. Кроме удаления интронов незрелые тРНК подвергаются и другим способам химической обработки, чтобы стать зрелыми функциональными тРНК.
Аминоацил тРНК получается в результате реакции между аминокислотами, АТР и тРНК, катализируемой аминоацил-тРНК-синтезатами (ферментами, активирующими аминокислоты). Особая белковая молекула узнает как молекулу специфической тРНК, так и специфической аминокислоты и образует аминоацил-транспортную РНК. Это тРНК с аминоацильной группой, присоединенной к 2'- или 3'- гидроксильной группе концевого остатка аденозина.
Для каждой из 20 аминокислот имеется соответствующий фермент — аминоацил-тРНК-лигаза, которая в цитоплазме соединяет аминокислоту с тРНК. Специальный фермент — кодаза опознает тРНК и присоединяет к "черешку листа" аминокислоту — не какую угодно, а только ту, которая кодируется триплетом. Точность трансляции зависит, прежде всего, от субстратной специфичности аминоацил-тРНК-лигаз. Корректирующий механизм активного центра лигазы обеспечивает немедленное удаление ошибочно присоединенных аминокислотных остатков. В среднем встречается только одна ошибка на 1300 аминокислотных остатков — поразительно высокая точность синтеза, если представить, насколько близки структуры некоторых аминокислот.
II.9. РИБОСОМЫ
Биосинтез белка (трансляция), как и активация аминокислот, происходит в цитоплазме. Он осуществляется нуклеопротеидными, то есть состоящими из РНК и белков, частицами, называемыми рибосомами. Этими специальными молекулярными "машинками" — рибосомами все живые организмы по сей день пользуются для синтеза белков.
Рибосомы были впервые описаны в 1950-х годах биологами, изучавшими строение клетки. Рибосомы имеют диаметр около 20 нм и их можно видеть в электронный микроскоп. На цитологических препаратах рибосомы выглядят как небольшие плотные гранулы, рассеянные по всей цитоплазме (внутренняя часть клетки за исключением ядра) (125). Число рибосом в микробной клетке примерно равно 104, а эукариот — около 105. В бактериальных клетках рибосомы могут составлять до 30 процентов сухой массы цитоплазмы (125). И прокариотические и эукариотические клетки содержат рибосомы, причем рибосомы эукариот (клетки животных) примерно в два раза больше рибосом прокариот (бактерии).