Биосинтез белка: ферменты в роли переводчиков

«Белки в живой клетке умеют делать практически все, причем с необычайной легкостью и изяществом». Читателя, наверное, не нужно убеждать в справедливости этого высказывания Фрэнсиса Крика, одного из основоположников молекулярной биологии. В самом деле, нет такой функции живого организма, в которой бы не принимали участия белки. Любая химическая реакция в организме, будь то отщепление атома водорода или синтез гена, идет с участием белков-ферментов. В этой статье пойдет речь о белках, которые «с легкостью и изяществом» выполняют важнейшую работу переводчиков в процессах синтеза других белков.

Зачем нужны ферменты-переводчики?

Откройте любой научный обзор, посвященный синтезу белка. Здесь подробно изложены сведения об устройстве и работе рибосом. С едва скрываемым восхищением авторы описывают четкую организацию и слаженность аппарата трансляции. И при этом часто забывается, что собственно «трансляция», то есть перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот, происходит фактически до того, как начнется цикл работы рибосомы. Что огромные по молекулярным меркам субклеточные структуры — рибосомы печатают текст уже по готовой печатной форме.

Информация о структуре белка записана в генах (молекулах ДНК) на языке нуклеотидов. При переписывании ее на молекулу матричной РНК (мРНК), несущую информацию о будущем белке к рибосоме, нуклеотидный язык сохраняется. Белки же, как известно, построены из аминокислот. Следовательно, чтобы установить соответствие между языком нуклеотидов и языком аминокислот, необходимо переосмыслить текст, сделать его перевод. Функцию переводчика, знакомого с двумя языками, выполняют особые ферменты АРСазы (аминоацил-тРНК-синтетазы). Эти ферменты обладают уникальным свойством безошибочно распознавать и последовательности нуклеотидов, и соответствующие этим последовательностям аминокислоты. Итак, один язык, знакомый синтетазам, — язык нуклеотидов, второй — язык аминокислот

В состав белков входят 20 различных аминокислот. Поэтому и АРСаз в клетке существует по меньшей мере 20 типов, каждый из которых специфичен для определенной аминокислоты. Например, АРСаза, специфичная к триптофану, носит название триптофанил-тРНК-синтетаза. Этот фермент выберет из двадцати аминокислот одну — триптофан, узнает молекулу соответствующей транспортной РНК — триптофановую и, используя энергию АТФ, соединит триптофан с тРНК. Далее аминокислота, связанная с тРНК, попадет к месту синтеза белка — рибосоме.

Реакция присоединения аминокислоты к тРНК называется реакцией аминоацилирования. В ней можно выделить два этапа:

Как АРСазы узнают свои субстраты

Это, пожалуй, главный вопрос, который интересует биохимиков с 1955 года, с того момента, как М. Хогланд открыл АРСазы. Ведь ферменты, о которых идет речь, взаимодействуют с тремя субстратами (АТФ, аминокислотой и тРНК). И они должны работать без ошибок. Это стало очевидным после классических опытов французского биохимика Ф. Шапвиля, поставленных 15 лет назад. Шапвиль доказал, что рибосома узнает только молекулу тРНК, а не присоединенную к ней аминокислоту. Значит, если тРНК из-за ошибки АРСазы соединилась с «чужой» аминокислотой, то в белковую молекулу вкрадется ошибка — появится «не та» аминокислота. А это может привести к синтезу функционально неактивного белка.

Поистине удивительна способность АРСазы распознавать соответствующую ей тРНК.

Долгое время в научной литературе обсуждалась проблема: нужен ли для распознавания тРНК соответствующим ферментом антикодон (так называют особый участок в молекуле тРНК — см. рис. ниже). Результаты исследований были тут противоречивы. Но по мере накопления фактов противоречие исчезло само собой. Оказалось, что для некоторых АРСаз антикодон необходим, чтобы узнать свою тРНК, а для других — нет. Было очевидно, что в молекуле тРНК есть и другие участки, которые узнаются АРСазой. Например, нуклеотиды акцепторного конца тРНК (акцепторный конец — это тот участок тРНК, к которому присоединяется аминокислота).

Сейчас сложилось мнение, что АРСаза распознает тРНК сразу по нескольким, не таким уж многочисленным, нуклеотидам, расположенным в разных местах молекулы тРНК. Но, очевидно, помимо особенностей первичной структуры тРНК, АРСазы узнают еще и пространственную конфигурацию этой молекулы.

Механизм функционирования АРСаз. Эти ферменты отыскивают определенную аминокислоту и соединяют ее с соответствующей транспортной РНК, используя в качестве источника знергии молекулы ATФ

Как построены АРСазы

О структуре тРНК нам известно сейчас гораздо больше, чем о структуре АРСаз. Сравнение тРНК, выделенных из разных организмов и специфичных к разным аминокислотам, показало, что длина молекул и молекулярный вес разных тРНК очень сходны. Очевидно, и в пространственной структуре различных тРНК есть много общего. Казалось бы, и класс АРСаз должен объединять близкие по своей структуре ферменты — ведь функции у них принципиально сходны, да и субстраты их химически близки. Однако оказалось, что это не так. Посмотрите, как разнообразно строение АРСаз:

Индекс α здесь означает, что фермент построен из одной полипептидной цепи, α₂ — из двух одинаковых цепей, αβ — из двух разных цепей, α₂β₂ — из четырех полипептидпых цепей, которые попарно идентичны.

Если самая маленькая из всех известных АРСаз — дрожжевая тнрозил-тРНК-синтетаза — по размерам ненамного превышает тРНК и состоит из одной полипептидной цепи, то глицнл-тРНК-сннтетаза представляет собой крупную белковую молекулу. С чем связано такое разнообразие АРСаз, сказать пока трудно.

Относительно «крупная» глнцил-тРНК-синтетаза из Bacillus brevis выглядит под электронным микроскопом (фото ниже) как шайба внешним диаметром около 100 Å и диаметром внутреннего отверстия около 50 Å. Вполне вероятно, что тРНК, взаимодействуя с сннтетазой, помещается именно в отверстии этой молекулы. Во всяком случае, размер отверстия в молекуле фермента согласуется с пространственными размерами молекулы тРНК.

По-видимому, много ценных сведений о строении фермента может дать рентгеноструктурный анализ правильных кристаллов фермента. Особенно заманчивой представляется кристаллизация АРСазы вместе со специфичной тРНК, ведь в этом случае можно будет установить пространственную ориентацию молекулы АРСазы при взаимодействии ее с тРНК. То есть может оказаться решенной проблема распознавания.

Удачную попытку получить кристаллический препарат АРСазы сделала в 1974 г. группа исследователей, работающих в Англии, в Кембридже. Объектом исследования явилась тирозил-тРНК-синтетаза из бактерии Bacillus stearothermophillus, растущей при высокой температуре (такие бактерии носят название термофильных). АРСазы из этой бактерии обладают высокой стабильностью, что облегчало их очистку и кристаллизацию. Вполне вероятно, что именно тирозил-тРНК-синтетаза станет первой синтетазой, для-которой будет установлена пространственная структура.

Электронно-микроскопическая фотография одной из АРСаз — глицил-тРНК-синтатазы. Светлые кольцеобразные структуры — отдельные молекулы фермента. Фотография получена Н.А. Киселевым и Ф.Я. Лернером совместно с автором статьи. Увеличено в 300 000 раз

АРСазы преподносят сюрпризы

Еще года два-три назад рассказ об АРСазах можно было бы закончить на этой мажорной ноте. Но, как это часто бывает, новые факты заставляют сомневаться в самых, казалось бы, непреложных истинах.

Двухступенчатый механизм образования аминоацил-тРНК (см. выше) долгое время казался всем очевидным, он вошел в. учебники биохимии. И вот в 1972 г. в нескольких лабораториях его подвергают пересмотру. Две группы ученых в США независимо высказали предположение, что связанный с ферментом промежуточный комплекс (первый этап) образуется лишь в отсутствии тРНК, а в живой клетке реакция аминоацилирования может происходить и без образования промежуточного комплекса. Сейчас на равных правах обсуждаются два возможных реакционных механизма: старый, складывающийся из двух последовательных этапов, и новый — без промежуточного комплекса, когда молекула фермента сразу связывает все три субстрата (АТФ, аминокислоту и тРНК) воедино. Какое представление окажется верным — сказать сейчас трудно.

А вот другой вопрос — о четвертичной структуре АРСаз.

Когда были разработаны методы препаративного выделения АРСаз и анализа их структуры, казалось бы, это направление исследований должно превратиться в «тихую заводь». Выделяй себе АРСазу, определяй тип ее строения и относи к тому или иному классу. Сортируй и классифицируй уже изученные ферменты. Но вот появляется серия работ группы М. Дейчера (ФРГ): в животной клетке АРСазы обнаружены в составе крупных субчастиц. В составе этих частиц сразу по несколько АРСаз разной специфичности, тРНК и липиды. Что это? Артефакт или молекулярная машина, снабжающая белоксинтезирующий аппарат клетки необходимыми субстратами?

И наконец, вернемся еще раз к проблеме узнавания, к взаимодействию АРСаза — тРНК. Что же тут говорить? — спросит читатель, — ведь специфичность узнавания абсолютная, АРСазы не ошибаются.

Но как раз сейчас появились сведения о том, что в определенных условиях синтетазы все же могут ошибаться. Например, изолейцил-тРНК- синтетаза может «нагружать» изолейцином фенилаланиновую тРНК, а валил-тРНК-синтетаза — соединять валин с тРНК, специфичной к метионину. Правда, такое ошибочное аминоацилирование было обнаружено только in vitro и в отсутствие соответствующей ферменту тРНК, то есть в условиях, далеких от тех, которые существуют в живой клетке.

Структура молекулы метиониновой тРНК из кишечной палочки. Красной линией отмечены участки, необходимые для узнавания этой тРНК соответствующей АРСазом

И возникает вопрос: а не могут ли АРСазы ошибаться в клетке? И если ошибаются, то существует ли механизм исправления таких ошибочно синтезированных субстратов? Еще совсем недавно ответ на оба эти вопроса был отрицательным. Но вот обнаружена реакция расщепления (гидролиза) аминоацил-тРНК. И эту реакцию катализируют все те же АРСазы:

Эта реакция протекает в отсутствие АМФ и пирофосфата н, следовательно, не может быть названа обратимой реакцией аминоацилирования (см. суммарную реакцию выше). У новой реакции оказалось интересное свойство: скорость разрушения «гибридных» аминоацил-тРНК (то есть тех, в которых аминокислоты соединены с несоответствующими им тРНК) в некоторых случаях оказывается значительно выше, чем скорость гидролиза обычных аминоацил-тРНК.

Напрашивается предположение не выполняют ли в таком случае АРСазы помимо своих обычных функций роль своеобразного молекулярного хирурга, отсекающего от ошибочно ацилированных тРНК их аминокислотный остаток? В таком случае это был бы один из механизмов, контролирующих точность трансляции.

На этом пока можно остановиться. Мы и так уже переступили область научных фактов и вступили в мир гипотез. Давайте подождем. АРСазы еще откроют нам свои секреты.

Общая схема биосинтеза белка. Каким быть тому или иному белку, синтезируемому клеткой, зависит от информации, записанной в ДНК. В отдельных участках молекулы ДНК (генах) содержатся сведения о первичной структуре белков. Для передачи информации от ДНК к месту синтеза белковой молекулы — рибосоме, на молекуле ДНК, как на матрице, синтезируются копии генов — молекулы мРНК. мРНК связываются с рибосомами, и тут наступает важный момент: стадия перекодировки, когда информация, записанная на языке нуклеотидов, переводится на язык аминокислот. Прежде чем аминокислотные остатки начнут полимеризоваться в белковые цепи, они должны быть соединены с молекулой транспортной РНК (тРНК). Эту реакцию присоединения аминокислоты к соответствующей тРНК катализируют особые ферменты  АРСазы (связь между аминокислотой и тРНК показана на рис. стрелкой). Предположим, что в молекуле мРНК десятый кодон (кодон — тройка нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту) выглядит так: УГГ. Это значит, что аппарат белкового синтеза получил команду: десятой аминокислотой в белке должен быть триптофан. Вот тут и наступает черед соответствующей АРСазы. Она выберет из 20 аминокислот одну — триптофан, узнает молекулу соответствующей транспортной РНК — триптофановую тРНК и, используя энергию АТФ, соединит триптофан с тРНК. В транспортной РНК есть участок, называемый антикодоном, который по закону комплементарности оснований спарится с кодоном в молекуле мРНК. Возникает связанный с рибосомой комплекс мРНК — тРНК — триптофан. Все, перевод сделан. Нужная аминокислота доставлена в нужный момент и в нужное место. А дальше — рибосома катализирует образование пептидной связи между аминогруппой предшествующей аминокислоты и карбоксилом триптофана. Ставшая ненужной молекула тРНК при этом отщепляется. Полипептидная цепь увеличилась на одно звено.

Кандидат биологических наук
А.П. Сургучев