WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет естественных наук Д. М. Грайфер, Н. А. Моор БИОСИНТЕЗ БЕЛКА Учебное пособие Новосибирск 2011 ББК Е902я73-1 УДК 577.1 (075) Г757 Грайфер Д. М., Моор Н. А. Биосинтез белка: учебное пособие / Новосиб. гос.

ун-т. Новосибирск, 2011. 104 с.

Учебное пособие предназначено для студентов факультета естественных наук, изучающих биоорганическую химию, молекулярную биологию и биохимию, для студентов старших курсов, специализирующихся на кафедре молекулярной биологии. Пособие может быть использовано для самостоятельного изучения, подготовки вступительного экзамена в аспирантуру и кандидатского минимума. Представленные материалы будут полезны для преподавателей, аспирантов и научных сотрудников химического и биологического профиля других вузов и научно-исследовательских институтов.

Рецензент д-р хим. наук, проф. Г. Г. Карпова Издание подготовлено в рамках реализации Программы развития НИУ-НГУ при поддержке базовой кафедры молекулярной биологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

© Новосибирский государственный университет, 2011 © Грайфер Д. М., Моор Н. А., 2011 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 7 ЧАСТЬ I. АМИНОАЦИЛ-тРНК-СИНТЕТАЗЫ: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ 9 Глава 1. Общие схемы реакции аминоацилирования тРНК 9 Глава 2. Структура тРНК 11 Глава 3. Два класса аминоацил-тРНК-синтетаз: структурные признаки и Общие характеристики взаимодействия с изкомолекулярными субстратами 16 Глава 4. Взаимодействие аминоацил-тРНК-синтетаз и тРНК. Проблема узнавания 23 4.1. Элементы специфичности в тРНК и методы их определения 23 4.2. Элементы узнавания тРНК в аминоацил-тРНК-синтетазах 32 4.3. Структура комплексов синтетаз с тРНК 34 4.4. Влияние низкомолекулярных субстратов на взаимодействие амино- ацил-тРНК-синтетаз с акцепторным концом тРНК 40 Глава 5. Неканонические функции аминоацил-тРНК-синтетаз СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ЧАСТЬ II. РИБОСОМА И БИОСИНТЕЗ БЕЛКА Глава 1. Этапы трансляции 1.1. Основные участники синтеза белка на рибосоме 1.2. Инициация 1.2.1. Регуляция трансляции на стадии инициации 1.2.2. Внутренняя инициация трансляции у эукариот 1.3. Элонгация 1.4. Терминация 1.4.1. Прочтение стоп-кодона в качестве смыслового 1.5. Выход синтезированного полипептида из рибосомы Глава 2. Структура рибосомы 2.1. рРНК 2.1.1. Вторичная структура рРНК 2.1.2. Роль рРНК в структурной организации и функционировании рибосом 2.2. Рибосомные белки 2.2.1. Номенклатура и особенности рибосомных белков 2.2.2. Гомология между рибосомными белками эукариот, эубактерий и архей 2.2.3. Внерибосомные функции рибосомных белков 2.3. Ионы Mg2+ и полиамины Глава 3. Сборка рибосомы Глава 4. Методы изучения строения рибосомы и ее функциональных центров 4.1. Рентгеноструктурный анализ (РСА) 4.2. Электронная микроскопия 4.3. Футпринтинг 4.4. Аффинная модификация 4.4.1. Аналоги тРНК 4.4.2. Аналоги мРНК 4.5. Другие методы исследования рибосом Глава 5. Функциональные центры рибосомы и принципы их организации Глава 6. Рибосома и антибиотики СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ Важнейшим процессом жизнедеятельности всех организмов – от простейших бактерий до человека – является реализация их генетической информации, закодированной в ДНК. Заключительным этапом этого процесса является трансляция – перевод тринуклеотидной последовательности кодонов матричных РНК (мРНК), скопированных с ДНК, – в аминокислотные последовательности синтезируемых белков. Белки – строительные, ферменты, гормоны – определяют практически все признаки организма, регулируют и координируют его жизнедеятельность. Трансляция происходит на специальных клеточных молекулярных машинах – рибосомах, куда аминокислоты для синтеза полипептидных цепей белка доставляются транспортными РНК (тРНК) в виде аминоацил-тРНК, в которых аминокислотный остаток соединен с 3'-концевой рибозой через сложноэфирную связь. Каждая тРНК специфична к одной определенной аминокислоте;

для аминоацилирования тРНК в клетке есть специализированные ферменты – аминоацил-тРНК-синтетазы, каждая из которых селективно присоединяет «свой» аминокислотный остаток к соответствующей тРНК.

Начало изучения процесса трансляции можно отнести к концу 50-х годов ХХ века. Термин «рибосома» был введен в 1958 г. для описания рибонуклеотпротеидных частиц размером 10–20 нм, которые были впервые выделены в начале 40-х годов из супернатанта, полученного после центрифугирования гомогената, образованного при разрушении нормальных и опухолевых клеток эукариот. В начале 50-х годов было обнаружено, что именно на этих частицах происходит синтез белка в клетках эукариот, в то время как для бактериальных клеток аналогичные данные удалось получить лишь в конце 50-х годов. тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы были открыты в середине 50-х годов. В 60-е годы были выполнены выдающиеся по своему значению исследования: расшифрованы кодоны для всех аминокислот, открыты мРНК, доказана адапторная функция тРНК, выяснены основные этапы биосинтеза белка на рибосомах. Среди всех нуклеиновых кислот впервые для тРНК в середине 70-х годов была установлена трехмерная структура с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА). За прошедшее с тех пор время накоплено огромное количество данных о строении рибосом – уникальных рибонуклеопротеидов, обладающих сложнейшей структурой и состоящих из большой и малой субчастиц, каждая из которых содержит рибосомные РНК (рРНК) и несколько десятков белков.



К концу ХХ века были установлены аминокислотные последовательности всех рибосомных белков и огромного числа аминоацил-тРНК-синтетаз, а также нуклеотидные последовательности тРНК и рРНК многих организмов от кишечной палочки до человека, выполнен трехмерный анализ структуры ряда аминоацил-тРНК-синтетаз с помощью РСА. Именно для аминоацил-тРНК-синтетаз впервые установлены молекулярные принципы взаимодействия белков с РНК, исключительная избирательность которого обусловлена уникальным разнообразием химической структуры и тРНК, и ферментов. Наиболее впечатляющие успехи в расшифровке структуры рибосом достигнуты на рубеже XX и XXI столетий благодаря РСА, который позволил установить строение рибосом прокариот с разрешением, дающим возможность «видеть» каждый нуклеотид рРНК и аминокислотный остаток белков. До настоящего времени (2010 г.) рибосома является наиболее сложной клеточной структурой, строение которой расшифровано на уровне отдельных атомов. В 2009 г. трое ученых (В. Рамакришнан из Англии, Т. Стейц из США и А. Йонат из Израиля) получили Нобелевскую премию по химии за установление строения бактериальной рибосомы.

Вся информация о белковом синтезе, накопленная к 80-м годам ХХ века (о генетическом коде и его свойствах, структуре тРНК, кинетических аспектах и механизмах высокоспецифичного функционирования аминоацил-тРНК-синтетаз, энергетике трансляции, локализации рибосом в клетке и др.), дана в монографии Л. Л. Киселева, О. О. Фаворовой и О. И. Лаврик «Биосинтез белков от аминокислот до аминоацил-тРНК» (Москва: Наука, 1984. 408 с.) и фундаментальном учебнике А. С. Спирина «Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка» (Москва: Высшая школа, 1986. 302 с.). В настоящем пособии акцент сделан на кратком описании полученных в последнее десятилетие ХХ века и первое десятилетие XXI века представлений о молекулярных основах внерибосомного и рибосомного этапов биосинтеза белка. Первая часть пособия «Аминоацил-тРНК-синтетазы: структура и функции» написана Н. А. Моор, вторая часть «Рибосома и биосинтез белка» – Д. М. Грайфером.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 1. Русскоязычные сокращения ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота НТО – нетранслируемая область ПТЦ – пептидилтрансферазный центр РНК – рибонуклеиновая кислота мРНК – матричная рибонуклеиновая кислота рРНК – рибосомная рибонуклеиновая кислота тРНК – транспортная рибонуклеиновая кислота РСА – рентгеноструктурный анализ ТМ-домен – трансмембранный домен УФ-свет – ультрафиолетовый свет ШД-последовательность – последовательность Шайна-Далгарно ЭМ – электронная микроскопия ЭР – эндоплазматический ретикулум ЯМР – ядерный магнитный резонанс 2. Англоязычные и смешанные сокращения aaRS(s) – аминоацил-тРНК-синтетаза(ы) aa – аминокислота aa-АМР – аминоациладенилат аа-тРНК – аминоацил-тРНК А-участок – аминоацильный участок ATP (AМP) – аденозин-5'-три(моно)фосфат Е-участок – участок связывания деацилированной тРНК IRES-элемент – внутренний участок посадки рибосомы PABP – поли(А)-связывающий белок Р-участок – пептидильный участок рибосомы PheRS(s) – фенилаланил-тРНК-синтетаза(ы); аналогичное сокращение использовано для других аминоацил-тРНК-синтетаз с указанием их специфичности в соответствии с общепринятым трехбуквенным обозначением аминокислот РРi - неорганический пирофосфат тРНКPhe – специфичная к фенилаланину тРНК; аналогичное сокращение использовано для других тРНК с указанием специфичности в соответствии с общепринятым трехбуквенным обозначением аминокислот 3. Обозначения структурных компонентов нуклеиновых кислот А – аденозин C – цитидин G – гуанозин U – уридин 4. Трех(одно)буквенные обозначения стандартных и нестандартных аминокислот Ala (A) – аланин Arg (R) – аргинин Asp (D) – аспарагиновая кислота Asn (N) – аспарагин Cys (C) – цистеин Glu (E) – глутаминовая кислота Gln (Q) –глутамин Gly (G) – глицин His (H) – гистидин Ile (I) – изолейцин Leu (L) – лейцин Lys (K) – лизин Met (M) – метионин Phe (F) – фенилаланин Pro (P) – пролин Pyl (О) – пирролизин Sec (U) – селеноцистеин Ser (S) – серин Sep – фосфосерин Trp (W) – триптофан Tyr (T) – тирозин Val (V) – валин Обозначения структурных компонентов нуклеиновых кислот и белков соответствуют рекомендациям Комиссии по номенклатуре Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC) и Международного союза биохимиков и молекулярных биологов (IUBMB). Обозначения структурных доменов аминоацил-тРНК-синтетаз расшифрованы в тексте и соответствуют принятым в оригинальных работах.

ЧАСТЬ I АМИНОАЦИЛ-тРНК-СИНТЕТАЗЫ: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ Глава 1. Общие схемы реакции аминоацилирования тРНК Основной путь синтеза аминоацил-тРНК в ходе биосинтеза белков – это двухстадийный процесс этерификации адапторной молекулы тРНК специфичной аминокислотой, катализируемый соответствующей аминоацил-тРНКсинтетазой (aaRS). На первой стадии аминокислота (аа) активируется АТР с образованием связанного ферментом смешанного ангидрида – аминоациладенилата (аа-АМР) – и освобождением пирофосфата (РРi); на второй стадии аминоацильный остаток переносится на 3'-концевую рибозу соответствующей тРНК:

(1) aaRS + аа + АТР aaRS•аа-АМР + РРi.

(2) aaRS•аа-АМР + тРНК аа-тРНК + АМР + aaRS.

Как правило, каждой аминокислоте соответствует своя тРНК (или в некоторых случаях несколько тРНК, называемых изоакцепторными [1, 2]) и своя aaRS, и в клетке существует 20 ферментов, специфичных к стандартным аминокислотам. Исключениями являются отсутствие во многих бактериях и органеллах эукариот глутаминил-тРНК-синтетазы (GlnRS) и аспарагинил-тРНКсинтетазы (АsnRS), а в ряде архебактерий – цистеинил-тРНК-синтетазы (CysRS) [3, 4]. В этих случаях Gln-тРНКGln и Asn-тРНКAsn синтезируются с участием так называемых «недискриминирующих» глутамил- и аспартил-тРНКсинтетаз (ND_GluRS и ND_AspRS), способных присоединять «свою» аминокислоту к «чужой» тРНК – Glu и Asp к тРНКGln и тРНКAsn соответственно. Недискриминирующие синтетазы существуют в таких организмах наряду с обычными, дискриминирующими, ферментами (GluRS и AspRS). На следующей стадии происходит амидирование Glu-тРНКGln и Asp-тРНКAsn с участием соответствующих амидотрансфераз (Glu-AdT и Asp-AdT), как показано на приведенной схеме:





(1) ND_GluRS + Glu + ATP + тРНКGln Glu-тРНКGln.

(2) Glu-тРНКGln + Glu-AdT + Gln + ATP Gln-тРНКGln + Glu.

Необычный путь синтеза Cys-тРНКCys без участия CysRS открыт недавно [4]. Он включает ошибочное аминоацилирование тРНКCys фосфосерином (Sep) в присутствии фосфосерил-тРНК-синтетазы (SepRS) и последующее тРНКзависимое превращение Sep в Cys, катализируемое Sep-тРНК:Cys-тРНКсинтазой (Sep-CysS):

(1) SepRS + Sep + ATP + тРНКCys Sep-тРНКCys.

(2) Sep-тРНКCys + Sep-CysS + PLP Cys-тРНКCys.

Кофактором синтазы Sep-CysS является пиридоксаль-5'-фосфат (PLP на схеме), а природа донора серы пока не установлена.

Для включения в белки селеноцистеина (Sec) – 21-й нестандартной аминокислоты – сначала из тРНКSec в присутствии SerRS синтезируется Ser-тРНКSec [4], которая затем превращается в Sec-тРНКSec альтернативными способами, представленными на приведенной ниже схеме. В эубактериях эта реакция катализируется PLP-зависимой Sec-синтазой. Более сложный механизм реакции в архебактериях и эукариотах включает промежуточное фосфорилирирование Ser-тРНКSec в присутствии специальной киназы (PSTK на схеме) и последующий синтез конечного продукта с участием PLP-зависимой Sep-тРНК:SecтРНК-синтазы. В обоих случаях донором селена является селенофосфат (Se-P на схеме), синтезируемый в клетке специальным ферментом из селенида водорода.

Другая нестандартная аминокислота, кодируемая генами некоторых метаногенных архебактерий, – производное лизина пирролизин (Pyl) – включается специфически в «свою» тРНКPyl соответствующим ферментом пирролизилтРНК-синтетазой (PylRS) по обычному двухступенчатому механизму.

Глава 2. Структура тРНК База данных по тРНК, обновленная в 2009 г. (http://trnadb.bioinf.unileipzig.de), содержит более 12000 последовательностей (установленных в основном на основе генов) из более чем 600 организмов. Вторичная структура тРНК прокариот и цитоплазмы эукариот укладывается в форму «клеверного листа» (рис. 1.1), состоящую из 4-х двуспиральных элементов, 3 из которых заканчиваются петлями, и вариабельного района (V-ветви).

Рис. 1.1. Обобщенный вид вторичной структуры канонических тРНК. Показаны в соответствии с общепринятой нумерацией консервативные (красного цвета) и полуконсервативные нуклеотиды (синего цвета; R – пурин, Y – пиримидин). Точки и линии соединяют основания, образующие пары во вторичной и третичной структуре соответственно Длина канонических тРНК варьирует от 72 до 95 нуклеотидов из-за различий в размерах D-петли и V-ветви, и в зависимости от длины последней они делятся на два класса: класс I объединяет тРНК с короткой V-петлей (4–5 нуклеотидных звеньев); ко второму классу относятся тРНКLeu, тРНКSer и эубактериальные тРНКTyr с длинной V-ветвью (13 и более звеньев). Двуцепочечные районы состоят в основном из уотсон-криковских пар и часто содержат «wobble»пару G-U, структурная неустойчивость которой важна для функционирования.

Структура некоторых тРНК прокариот и цитоплазмы эукариот отличается незначительно от канонической структуры: тРНКCys содержит необычную пару G15-G48 (вместо обращенной пары Уотсона-Крика R15-Y48); тРНКHis в большинстве организмов имеет дополнительный нуклеотид на 5'-конце (в пози ции -1, см. рис. 1.1). Структура митохондриальных тРНК млекопитающих сильно отличается от канонической из-за необычных размеров D- и T-ветвей (варьирующих в одноцепочечных и двуспиральных участках) или полного отсутствия одной из них. Для некоторых митохондриальных тРНК характерно удлинение антикодонового стебля, но ни одна из них не содержит длинной вариабельной ветви.

Особенностью природных тРНК является присутствие минорных нуклеозидов, различающихся посттранскрипционной модификацией оснований или рибозы. Из приведенных в базе данных (http://rna-db.cas.albany.edu) 107 модифицированных компонентов РНК с установленной структурой большая часть (81 минор) найдена в тРНК. Наиболее распространенными минорами, присутствующими почти во всех тРНК, являются дигидроуридин в D-петле и риботимидин в Т-петле; остальные миноры характерны для определенных групп организмов или отдельных тРНК. Так, триада Gm18, s2T54 и m1A58 (2'-Oметилгуанозин, 2-тиотимидин и 1-метиладенозин в позициях 18, 54 и 58) свойственна разным тРНК из термофильных бактерий. Гипермодифицированный аналог гуанозина – вайбутозин (yW) – найден в позиции 37 лишь некоторых тРНКPhe. Аналог 7-деазагуанозина – кьюозин (Q) – встречается в первой позиции антикодона тРНКAsp, тРНКAsn и тРНКTyr.

Пространственная структура тРНК впервые установлена с помощью РСА для дрожжевой тРНКPhe в 1974–1976 гг. независимо тремя лабораториями [1, 2].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.