Клеймо создателя

Филатов Феликс П.

Вторичная структура этой молекулы сформирована четырьмя короткими двуцепочечными стеблями и напоминает клеверный лист.

Каждый из четырех стеблей состоит из 4—7 уотсон-криковских пар, образующих двойные спирали. Сами стебли носят названия акцепторного, антикодонного, а также D (содержащий дигидроуридин) и T (содержащий риботимидин). Некоторые нуклеотиды консервативны, и их позиции в составе тРНК остаются инвариантными – либо полуинвариантными, если сохраняется их пуриновая или пиримидиновая природа. На акцепторном стебле тРНК имеется участок связывания с аминокислотой; он неспецифичен и для всех аминокислот один и тот же: ССА– 3». Противоположный стебель содержит одноцепочечную петлю с антикодоном, распознающим кодон на мРНК. Две другие, боковые, петли предназначены для связывания с рибосомой и с аминоацил-тРНКсинтетазой (АРСазой). Четвертая, не всегда выраженная, петля так и называется – дополнительная или вариабельная (V). У тРНК, узнаваемых АРСазами класса I, она, как правило, короче (4—5 нуклеотидов), у тРНК, узнаваемых АРСазами класса II –

длиннее (13—21 нуклеотидов).

Третичная (пространственная) структура любой тРНК складывает все ее четыре ветви (стебли с петлями) в так называемую Г-форму (L-форму, если использовать латиницу):

Г-форма состоит из двух почти перпендикулярных друг другу спиралей А-РНК (11 пар оснований на виток). Два отрезка буквы Г образованы ССА– 3`-концом и антикодонной петлей, которые находятся на расстоянии 80A друг от друга. Наружный край угла буквы Г образован Т-петлей. Акцепторный и Т-стебли уложены один вслед за другим и образуют единую двойную спираль. В примерно такую же структуру (только с расхождением осей на 26°) уложены антикодонный и D-стебли. Эта структура на предыдущем рисунке обозначена жирной черной кривой.

Уже цитированный Др. Зенгер назвал тРНК «сокровищницей стереохимической информации». Он отмечает, что кроме уотсон-криковских пар, ответственных за большую часть горизонтальных взаимодействий между основаниями (особенно в стеблях), в тРНК имеется ряд нестандартных пар и триплетов. Такие пары располагаются в основном с наружной стороны угла и в шарнирной области буквы Г.

«Качающаяся пара» G4—U69 дрожжевой фенилаланиновой тРНК входит в состав акцепторного стебля. По структуре она сходна с уотсон-криковской и не нарушает двойной спирали, а только создает небольшую выпуклость в сахарофосфатном остове. Обратная непланарная – хугстеновская – пара m¹A₅₈– T₅₄ возникает благодаря блокаде уотсон-криковской из-за метилированного аденина-58, и хугстеновское спаривание оказывается единственно возможным способом образования водородных связей с другим основанием (курсив здесь далее в этой главе – до новой ссылки – цитата из книги Зенгера). Пурин-пуриновая пара-m²G₂₆– A₄₄ «длиннее», чем обычная уотсон-криковская и в значительной мере непланарна; именно она ответственна за 26°-ое расхождение антикодонового и D-стеблей.

В тРНК имеется несколько триплетов, в которых уотсон-криковскую пару дополняет третье основание, присоединенное со стороны главного желобка либо одной (m²G₁₀– С₂₅– G₄₅), либо двумя (G₂₂– С₁₃– m⁷G₄₆ и A₂₃– U₁₂– A₉) водородными связями; во всех этих триплетах представлена и параллельная, и антипараллельная ориентация полинуклеотидных цепей. Большинство «третичных» водородных связей образуется между консервативными основаниями.

Многочисленные вертикальные стэкинг-взаимодействия, наличие которых чрезвычайно характерно для архитектуры тРНК, укрепляют эту структуру. В дрожжевой фенилаланиновой тРНК только 42 основания из 76 входят в спиральные участки, но в стэкинг-взаимодействии участвует 71 основание. Схема стэкинга в спиральных доменах тРНК практически такая же, как и у двуцепочечных А-РНК, однако, перекрывание оснований несколько сильнее, и плотность спирали эквивалентна структуре с числом пар, несколько меньшим, чем 11. В отдельных местах молекулы тРНК основание одной цепи встраивается между двумя основаниями другой (интеркаляция), при этом возникает особый вид стэкинга.

Антикодоновый триплет также имеет спиральную структуру и формирует стопку. Кодон информационной РНК образует с антикодоном уотсон-криковские и «качающиеся» пары и, таким образом, на антикодоновом стебле появляется двойная мини-спираль. Поскольку «качающаяся» пара располагается на дальнем конце этой спирали, антикодон может найти оптимальное положение для спаривания. Другими словами, чтобы образовалась «качающаяся» пара, кодону не нужно принимать какие-то необычные конформации, а это согласуется с тем, что на рибосоме все кодоны должны находиться в одной и той же структурной конфигурации для обеспечения их геометрической эквивалентности и быстрого считывания.

Пусть – в порядке гимнастики воображения – Читатель теперь представит себе, что вся эта весьма нетривиальная структура «считывается» в клетке с хромосомной ДНК-матрицы, которая имеет самую обычную монотонную спиральную организацию.

Молекула тРНК отличается и другими структурными особенностями, но и приведенного цитирования из весьма основательного труда

Зенгера достаточно, чтобы Читатель понял, что представленная в следующих главах формализация (всегда ведущая к фактическому упрощению) схемы генетического кодирования, в которой молекула тРНК занимает одну из ключевых позиций, сама по себе требует изрядной умственной отваги. Не меньшая отвага нужна, чтобы удержаться от дальнейших упрощений, отличающих, например, креационизм.

Найдено несколько десятков (теоретически 61) индивидуальных тРНК, так как каждая из них способна переносить в процессе белкового синтеза единственную аминокислоту. Конкретные тРНК называют по имени той протеиногенной аминокислоты, которую они акцептируют (например, лизиновая тРНК). Если одна и та же аминокислота акцептируется несколькими индивидуальными тРНК, то последние называют изоакцепторными и нумеруют (например, одна из тРНК для валина – тРНКвал1).

Несмотря на то, что молекулы тРНК строго специфичны, и каждой из них соответствует собственный антикодон и присоединяемая аминокислота, они не являются полноценными посредниками между этими аминокислотами и этими (анти-) кодонами. Последние – это часть структуры тРНК, что до первых, то тРНК не узнают их в принципе, да и садятся они на один и тот же триплет тРНК – концевую последовательность -ССА– 3`, не различающую аминокислоты. Требуется еще один посредник, который бы узнавал обе эти молекулы так же безошибочно, как кодон узнает антикодон – и связывал их. Правила узнавания кодона и антикодона, приводящие к выбору той или иной аминокислоты для роста цепочки полипептида, называются генетическим кодом. Эти правила имеют линейный, матричный характер. Ясно, что их недостаточно, чтобы аминокислота нашла свой антикодон (в своей тРНК), поскольку 3`-последовательность, на которую она садится, у всех тРНК одна и та же. Рибосомы же, где происходит полимеризация аминокислот, различают именно тРНК. Таким образом, должна существовать еще, как минимум, одна молекула, способная различать аминокислоты и соответствующие им тРНК. Этот минимум Природа реализовала в виде молекулы аминоацил-тРНК-синтетазы, АРСазы. АРСазы способны различать и фиксировать на своей поверхности каждую из всех двадцати аминокислот. Одновременно они различают и соответствующие изоакцепторные тРНК. Рибосома имеет общий сайт связывания для всех тРНК и не различает их. Других молекулярных посредников между записанной в нуклеиновой кислоте и реализуемой в виде полипептида информации нет, и генетическое кодирование объединяет только три молекулы: тРНК с ее антикодоном, соответствующая ему аминокислота и фермент АРСаза. АРСаза способна присоединять еще и три остатка фосфорной кислоты, служащие источником энергии для реакции аминоацилирования тРНК, которую и катализирует АРСаза. Поскольку мы рассматриваем здесь не весь механизм синтеза белков, а только его кодировку, то есть, машину кодирования, а не машину синтеза, о других молекулярных деталях этой машины – различных полимеразах и других ферментах, информационных и рибосомальных РНК, самих рибосомах и т. п. – мы говорить не будем.

Таким образом, генетический код, как соответствие триплета оснований той или иной аминокислоте, реализуется не как взаимное узнавание (рекогниция, для которой не существует физико-химических оснований), а как узнавание одного и того же посредника – белка АРСазы, структура которого имеет соответствующие сайты. Это узнавание должно иметь вполне убедительную стереохимическую основу. И тем не менее, малая величина аминокислот и однотипная стереохимия тРНК представляют серьезные трудности для рекогниции. Справедливости ради стоит, однако, сказать, что тРНК все же несколько отличаются друг от друга – и не только антикодоном: имеют место небольшие нуклеотидные отличия, так что тРНК с разными антикодонами несколько различны и по своей пространственной конфигурации.

Детальному анализу структуры и функции АРСаз посвящены очень основательные обзоры Карла Взе 52 ; на русском языке о них довольно подробно можно прочесть в популярных статьях 53 замечательного Соровского Образовательного Журнала. Нас интересуют здесь лишь основные характеристики этих ферментов. Википедия – вполне корректно – трактует АРСазу следующим образом:

«Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) – фермент, катализирующий образование аминоацил-тРНК в реакции этерификации определенной аминокислоты с соответствующей ей молекулой тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя АРСаза. АРСазы обеспечивают соответствие подготавливаемых ими к встраиванию в белок аминокислот и нуклеотидных триплетов антикодона тРНК, таким образом, обеспечивая правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосоме.

52

Woese CR, Olsen GJ, Ibba M, Soll D. Amino-acyl-tRNA syntheses, the genetic code and the evolutionary process. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 64: 202—236 (2000)

53

1) Фаворова ОО, 1998, Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков, Соросовский Образовательный Журнал, №11

2) Энтелис Н. С., 1998, Аминоацил-тРНК-синтетазы: два класса ферментов, Соросовский Образовательный Журнал, №9