Система активації і транспорту амінокислот в рибосоми

У клітці амінокислоти, як правило, не існують у вільному вигляді. Вони взаємодіють з тРНК і зберігаються у вигляді аміноацил-тРНК (аа-тРНК). Біологічний сенс такої мобілізації тРНК полягає у тому, що амінокислоти при цьому вживають запобіжних засобів від дії катаболічних ферментів і не згорають в клітці, а використовуються для синтезу білка. Лише при надлишку котрійсь із амінокислот частина її залишається не пов'язаної з тРНК і через реакції переамінування втягується в цикл лимонної кислоти для енергетичного обміну.

Амінокислота приєднується ковалентного аміноацільной зв'язком між СООН-групою АК і гідроксильною групою 3'-вуглецевого атома рибози до 3'-кінцевого аденозину ССА-триплетів тРНК. Аміноацільная зв'язок є макроергічним, тому її освіту можна розглядати як активування амінокислоти. В подальшому енергія зв'язку з цим використовується для утворення пептидного зв'язку.

Процес утворення аа-тРНК складається з двох реакцій. Перша являє собою взаємодію амінокислоти з АТР. В результаті цієї реакції, що каталізується аа-тРНК-синтетазой і позначається як реакція первинної активації карбоксилу (реакція активації амінокислоти), утворюються аміноаціладенілат і пірофосфат:

Аа-тРНК-синтетаза, Mg 2+

1. АК + АТР → АК

Аміноаціладенілат залишається пов'язаним з аа-тРНК у вигляді Нековалентні комплексу до тих пір, поки не відбудеться друга реакція: акцептування активованого амінокислотного залишку, або перенесення його на кінцеву групу тРНК. Ця реакція також каталізується аа-тРНК-синтетазой:

АМР + тРНК → АК

В результаті цієї реакції карбоксильная група АК переноситься на 3'-ОН групу рибози кінцевого аденозину тРНК і утворюється кінцевий продукт - аа-тРНК, а сама аа-тРНК-синтетаза і АМР вивільняються.

Таким чином, аа-тРНК-синтетази виконують виключно важливу роль в реалізації генетичної інформації. За допомогою цих ферментів здійснюється специфічний відбір амінокислот і «зашифровка», яка полягає в приєднанні кожної амінокислоти до спеціального адаптера, здатному дізнаватися кодон для неї на мРНК. Саме на рівні аа-тРНК-синтетаз відбувається специфічна підготовка до переведення 4-літерного генетичного коду в 20-буквений код білків. Ферментативне аміноацилювання тРНК, безсумнівно, виконує кодує функцію.

Роль тРНК в трансляції

У белоксинтезирующей системі тРНК виконує наступні три важливі функції: а) акцепторну (за допомогою специфічного ферменту аміноацил-тРНК-синтетази приєднує на одному з кінців своєї молекули відповідну амінокислоту, в результаті чого виникає комплекс аміноацил-тРНК); б) транспортну (доставляє амінокислоту в формі аа-тРНК в рибосому для включення її в зростаючу поліпептидний ланцюг); в) Адапторная (за допомогою свого антикодону специфічно взаємодіє з комплементарним йому кодоном мРНК і таким чином забезпечує необхідну послідовність включення амінокислот в синтезируемую поліпептидний ланцюг відповідно до програми, заданої мРНК). Завдяки адапторной функції, тРНК «дешифрує» генетичний код в РНК-матриці і переводить його в амінокислотний код білка. Реалізація всіх цих функцій можлива завдяки унікальній структурі молекул тРНК (див. Лекцію).

Це особливий клас ферментів, що каталізують сукупність реакцій, що становлять першу стадію біосинтезу білка - строго специфічне з'єднання амінокислоти з відповідною їй тРНК. Для кожної АК існує специфічна аа-тРНК-синтетаза. Клітка містить, принаймні, 20 типів аа-тРНК-синтетаз, що володіють специфічністю не тільки по відношенню до амінокислоти, але і тРНК. Через одноманітності функцій все тРНК мають дуже схожу просторову структуру. Тому розпізнавання аа-тРНК-синтетазой своєї тРНК має базуватися на дуже тонких відмінностях будови окремих тРНК.

Аминоацил-тРНК-синтетази мають два активних центри: один невеликих розмірів, що зв'язує амінокислоту; і другий, протяжний, # 8210; для точного вибору тРНК. АТР зв'язується в активному центрі ферменту через іон Mg 2+ з імідазольним радикалом His.

Ферменти, виділені з однієї і тієї ж клітини, але специфічні до різних АК, істотно відрізняються по суб'едінічной структурі і молекулярної масі. Молекулярна маса більшості аа-тРНК-синтетаз становить приблизно 100 кДа, іноді 200 кДа і більше. Ці ферменти є димерами або тетрамерами, дуже рідко мають одну поліпептидний ланцюг, що містить до 1000 амінокислотних залишків (ізолейцил-тРНК-синтетаза, аланіл-тРНК-синтетаза). Структура аа-тРНК-синтетаз забезпечує точну установку тРНК щодо ферменту, в результаті чого ділянку аа-тРНК-синтетази, що несе активовану АК, розташовується поруч з 3'-кінцевим аденозином.

Аминоацил-тРНК-синтетази працюють дуже точно: помилкове аміноацилювання in vivo зустрічається тільки приблизно в одному випадку з 10000 циклів цієї реакції. Саме у вигляді аа-тРНК амінокислота безпосередньо втягується в біосинтез білка, який здійснюється белоксинтезирующей системою клітини. Аминоацил-тРНК-синтетази дуже повільні ферменти, число їх оборотів становить 50-500 каталітичних актів в хвилину.

Аминоацил-тРНК-синтетази ділять на два класи: клас I (ферменти, що переносять залишок амінокислоти на 2'-ОН групу рибози); клас II (ферменти, що переносять залишок амінокислоти на 3'-ОН групу кінцевий рибози тРНК).

Аминоацил-тРНК-синтетази існують у вигляді високомолекулярних комплексів - Кодос. Їх молекулярна маса # 8210; 1,4 МДА. Вони включають кілька аа-тРНК-синтетаз і ферменти, модифікують аа-тРНК-синтетази і регулюють їх активність. Це протеїнкінази, метилтрансферази, фосфопротеінфосфатази і ін.

Аминоацил-тРНК-синтетази властиві і неканонічні функції. Зокрема, деякі мітохондріальні аа-тРНК-синтетази проявляють сплайсірующую активність і беруть участь в процесингу мРНК. Механізм цього явища неясний.

Як здійснюється впізнавання тРНК аа-тРНК-синтетазами? Елементи впізнавання тРНК, мабуть, відрізняються у про- і еукаріот. Це було показано в експериментах: багато бактеріальні тРНК погано аміноаціліруются аа-тРНК-синтетазами ссавців, і навпаки, тРНК ссавців служать поганими субстратами для аа-тРНК-синтетаз Е.соli.

Елементами впізнавання у прокаріотів і дріжджів служать: а) антикодон. (Головний елемент впізнавання для більшості тРНК); б) Нуклеотиди акцепторного стебла; в) вариабельная шпилька (в тому випадку, якщо вона досить довга).

Нуклеотиди антикодону залишаються основними елементами впізнавання як в про-, так і в еукаріотичних системах. В інших випадках елементами впізнавання служать кілька підстав в різних ділянках молекули тРНК.

Активний центр ферменту високоспеціфічен щодо субстрату, але межі точності все ж існують. Фермент досить легко відрізняє амінокислоти з сильно розрізняються властивостями, але йому важко відрізнити схожі амінокислоти, наприклад валін і ізолейцин.

У разі помилкового аденілірованія ізолейцил-специфічний фермент гідролізує валив-АМР, в той час як ізолейцил-АМР (можливо через набагато більших розмірів) в цей центр не входить. Завдяки цьому зменшується помилка приєднання изолейцина до 1 на 60000. Не всі аа-тРНК-синтетази мають такий механізм корекції. Він потрібен тільки для розпізнавання схожих амінокислот.