§ 3. Биосинтез белка - основа реализации наследственной информации

В настоящее время удалось искусственно синтезировать молекулы некоторых белков, например инсулина (гормон поджелудочной железы).

Чтобы понять, насколько это трудоемкий процесс, приведем такие цифры: чтобы осуществить эту работу, потребовалось бы 233 этапа, что заняло бы около трех лет труда десяти квалифицированных химиков-органиков.

В нашем организме, как и в организме всех живых существ, происходит постоянный синтез самых разнообразных и сложных белковых молекул. В настоящее время показано, что биосинтез белков представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в котором точно воспроизводится специфическая структура каждого данного белка, обеспечивающая его уникальные биологические свойства.

Как известно, в состав белков входит одна или несколько полипептидных цепей, состоящих в свою очередь из различных комбинаций 20 разных аминокислот. Длина полипептидной цепи варьирует в широких пределах. У большинства белков полипептидные цепи состоят из 100-200 аминокислотных остатков. Последовательность аминокислот в полипептидных цепях определяет важнейшую характеристику белка - его первичную структуру, от которой в конечном счете зависят и его биологические свойства. Последовательность аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, которая является уникальной не только для данного биологического вида, но даже и для индивидуума. Однако механизм, при помощи которого нуклеотидная последовательность определяет последовательность аминокислот, долгое время оставался неясным.

Оказалось, что сборка полипептидной цепочки из аминокислот происходит при помощи особых рибонуклеопротеидных гранул - рибосом, состоящих приблизительно наполовину из РНК и наполовину из белков (см. главу II, § 3). Хотя рибосомы являются главным аппаратом синтеза белка, одни они не способны обеспечить этот процесс. Образование полипептидной цепи из аминокислот требует участия матричных (или информационных) РНК (мРНК) и транспортных РНК (тРНК), а также аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и целого ряда специализированных ферментов и других биологически активных веществ.

Общая схема биосинтеза белка изображена на рис. 4. Свободные аминокислоты сначала взаимодействуют с АТФ (с освобождением пирофосфата). При этом образуется активная форма аминокислоты - ее ангидрид с аденозинмонофосфорной (адениловой) кислотой - аминоациладенилат. Последний взаимодействует с тРНК, специфичной для данной аминокислоты (для одной аминокислоты может быть несколько специфичных тРНК), в результате чего образуется аминоацил-тРНК и освобождается адениловая кислота. Оба эти процесса катализируются одним и тем же ферментом - аминоацил-тРНК-синтетазой, специфичной для каждой данной тРНК. Такая тРНК, нагруженная аминокислотным остатком, присоединяется к рибосоме. Свободные рибосомы, однако, неактивны. Для того чтобы рибосома могла осуществлять сборку полипептидной цепи, сначала малая, а затем и большая субчастицы рибосомы присоединяются к рибонуклеотидной цепочке мРНК. Как правило, к одной молекуле мРНК последовательно присоединяется несколько рибосом, благодаря чему, двигаясь вдоль мРНК, они могут друг за другом "считывать" записанную на ней информацию о первичной структуре белка. Такие комплексы рибосом с мРНК называют полирибосомами, или полисомами.

Собственно сборка полипептидной цепи происходит в рибосомах, соединенных с мРНК (полирибосомах, или полисомах). Сначала к мРНК с прикрепленной к ней рибосомой присоединяется тРНК, нагруженная аминокислотой, затем к этой же рибосоме присоединяется другая аминоацил-тРНК аминокислота, связанная с первой тРНК, присоединяется своей карбоксильной группой ко второй аминокислоте, образуя с ней пептидную связь и освобождая первую тРНК. Далее образованный дипептид таким же образом пристраивается к третьей аминокислоте, соединенной своей тРНК с мРНК и рибосомой, освобождая вторую тРНК и т. д., пока не будет завершена сборка полипептидной цепи синтезируемого белка; Каждая рибосома, считывая информацию с данной мРНК, синтезирует определенную индивидуальную полипептидную цепь с заданной последовательностью аминокислот.

Каким же образом мРНК обеспечивает точное воспроизведение определенной аминокислотной последовательности? Специальные опыты показали, то каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (триплетом) мРНК. Когда к системе биосинтеза белка, содержащей все необходимые компоненты, кроме мРНК, добавляли полиуридиловую кислоту, т. е. полирибонуклеотид, построенный из нуклеотидов только урацила, эта система, содержавшая все свободные аминокислоты, синтезировала полифенилаланин - полипептид, состоящий из остатков только одной аминокислоты - фенилаланина. Это показало, что фенилаланин кодируется триплетом (кодоном), состоящим только из нуклеотидов урацила, т. е. УУУ. В дальнейших исследованиях удалось расшифровать кодоны (кодирующие триплеты) для всех 20 различных аминокислот.

Аминокислотный, или нуклеотидный, код (код мРНК) представлен в табл. 1. Выяснилось, что код является множественным или, как говорят, вырожденным, т. е. одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Так, только метионин (мет) и триптофан (три) кодируются одним триплетом, тогда как лейцин (лей), серии (сер) и аргинин (арг) кодируются шестью триплетами, а другие аминокислоты - двумя, тремя или четырьмя. Из 64 возможных триплетов (комбинаций из 4 по 3) 61 кодирует аминокислоты, т. е. имеет значение, а три некодирующих триплета: УАА, УАГ и УГА - сначала считали бессмысленными (нонсенс-триплетами), однако оказалось, что они программируют окончание (терминацию) полипептидной цепи.

Нуклеотидный код первоначально был установлен на микроорганизмах, однако он оказался универсальным для всех живых существ на Земле.

Аминокислотный код (см. табл. 1) представляет собой кодоны в мРНК, последовательность которых воплощается в последовательность аминокислот в процессе биосинтеза белка. В этом процессе "слово" (триплет) четырехзначного "алфавита" (нуклеотидов) определяет одну букву "двадцатибуквенного алфавита" (аминокислот). Соответственно информация, записанная четырехзначным "алфавитом", как бы переводится на информацию, вписываемую двадцатибуквенным алфавитом, благодаря чему этот процесс и принято называть трансляцией (перевод) (см. рис. 4).

С другой стороны, сам нуклеотидный код представляет собой последовательность нуклеотидов мРНК, комплементарную к соответствующей последовательности нуклеотидов ДНК (генетическому коду), представляющих собой структурные гены, кодирующие данный белок и соответственно данную мРНК. Напомним, что образование такой комплементарной последовательности на матрице ДНК в процессе биосинтеза мРНК получило незнание транскрипции (переписывание).

Так, например, триплету аминокислотного кода АУГ, кодирующему метионин, соответствует последовательность ТАЦ в ДНК. Поскольку транскрипция идет в направлении, противоположном последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, то соответствующий триплет генетического кода ДНК будет ЦАТ.

В процессе биосинтеза белков тРНК присоединяется к определенному кодону мРНК своей комплементарной последовательностью, называемой антикодоном, т. е. кодону мРНК соответствует антикодон тРНК, содержащий комплементарные (образующие с ними пары) нуклеотиды: например, кодону АУУ соответствует антикодон УАА: кодону УУУ - антикодон AAA и т. п.

¹ (Расшифрованные названия аминокислот см. в табл. 1.)