n1

яку доставляють мРНК у цитоплазму особливі транспортні білки інформофери (ті, що несуть інформацію), відкриті О.С.Спіріним, Г.П.Георгієвим. В еукаріотичних клітинах мРНК завжди знаходиться в комплексі з білком. Рибонуклеопротеїновий комплекс – це єдина форма існування мРНК у тваринній і рослинній клітині від моменту синтезу пре-мРНК у ядрі до розпаду мРНК у цитоплазмі. Інформо- фери доставляють мРНК до рибосом цитоплазми, де й відбувається синтез білка, тобто здійснюється процес перекладу нуклеотидних послідовностей мРНК на амінокислотну послідовність поліпептид- ного ланцюга білка. Цей процес одержав назву трансляції.

Генетичний код

Генетичний код об’єднує послідовність нуклеотидів у ДНК і по- слідовність амінокислот у білках. Отже, для кожної амінокислоти іс- нує свій кодон (кодове слово) для перекладу послідовності нуклео- тидів у кодовану амінокислоту. Використовуючи 4-літерний алфавіт нуклеотидних основ ДНК (А, Г, Т, Ц), зробивши лише математичні розрахунки, можна припустити таке:

1.Якщо амінокислота кодується однією основою, то можна отри- матиполіпептидний ланцюг тільки з4 різновидів амінокислот (41 = 4).

2.Якщо припустити, що кодон для кожної амінокислоти містить

два поспіль розташовані нуклеотиди (дуплет), то можливі 42 = 16 сполучень (такої кількості кодонів теж недостатньо для кодування 20 амінокислот). У цьому випадку поліпептидний ланцюг складався б тільки з 16 різновидів амінокислот.

3. Якщо взяти комбінації по три нуклеотиди (триплет), то ма- тимемо 43 = 64 кодони, тобто з надлишком. Триплетна природа ге- нетичного коду була підтверджена численними експериментами. Генетична інформація (порядок розміщення нуклеотидів у гені ДНК) передається в процесі біосинтезу білків на мРНК. Процес пе- рекладу (трансляції) з 4-літерного нуклеотидного алфавіту мРНК на 20-літерний алфавіт поліпептидного ланцюга став підґрунтям для розшифровки нуклеотидно-амінокислотного коду. Після встанов- лення триплетності коду, необхідно було з'ясувати, які нуклеотиди і в якій послідовності в триплетах молекули мРНК відповідають різ- ним амінокислотам. Вирішальна роль у розшифруванні генетичного коду належить роботам американських учених М.Ніренберга, С.Очоа, М.Маттеї та ін. (1954–1961 рр.). Вони в безклітинну білокси- нтезуючу систему, одержану з кишкової палички, ввели штучно син- тезовану поліуридилову кислоту (УУУУУ) як матрицю і додали су- міш із 20 амінокислот. Робота здійснювалась за схемою:

З’ясувалось, що з 20 амінокислот у біосинтезі брав участь лише фенілаланін, тобто триплетом для цієї амінокислоти можна вважати три поспіль розташовані урацили (УУУ). В аналогічних експериментах з’ясувалося, що при добавленні поліцитидилової кислоти кодується

372

пролін, поліаденілової – лізин, полігуанілової – гліцин. У подальшому, поєднуючи методи органічної хімії з ферментативними, в дослідах бу- ли використані штучно синтезовані як гетерополінуклеотиди, так і тринуклеотиди з різним сполученням пуринових і піримідинових ос- нов. Так, наприклад, тринуклеотид ГЦУ відповідав амінокислоті ала- ніну. Таким чином, дослідженнями М.Ніренберга, С.Очоа, Г.Корана, Р.Кріка та ін. повністю розшифровано РНК – амінокислотний код (табл. 13). Отже, код або кодон – це триплет із трьох поспіль розташо- ваних пуринових або піримідинових основ на мРНК, які відповідають за приєднання певної амінокислоти в поліпептидному ланцюзі.

Унаслідок проведених експериментів були розкриті всі 64 три- плети, із них 61 триплет, будучи змістовними, відповідали певним амінокислотам, а три (УАА, УАГ, УГА), які не кодували амінокис- лот, названо «беззмістовними». Проте цим кодонам належить важ- лива роль у біосинтезі білка – вони забезпечують кінець синтезу по- ліпептидного ланцюга (термінацію). Генетичний код має такі влас- тивості: триплетність, виродженість, неперекриваємість, специфіч- ність, універсальність, колінеарність.

Як видно з таблиці, генетичний код виявився виродженим (над- лишковим), оскільки кожній амінокислоті (крім метіоніну і трипто- фану) відповідає більше, ніж один кодон. Наприклад, для гліцину, аланіну існує чотири, для серину – шість, для багатьох інших аміно- кислот – по два кодони. Винятком є кодон АУА, який повинен від- повідати не ізолейцину, а метіоніну, і кодон УГА (термінуючий), то- ді як повинен відповідати триптофану.

373

У більшості випадків триплети, які кодують одну й ту ж аміно- кислоту, розрізняються лише завдяки третьому нуклеотиду в кодоні. Так, у кодонах аланіну (ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ) перші два нуклеотиди однакові, відрізняється лише третій. Це підвищує надійність функці- онування білоксинтезуючої системи. Виродженість коду сформува- лась у процесі еволюції як фактор пристосування. Вона робить на- дійнішою систему зберігання і передачі генетичної інформації, особ- ливо тоді, коли відбувається мутація на мРНК і тРНК, тобто виро- дженість може зводити до мінімуму згубну дію мутацій. Це підтвер- джується тим, що у випадку зміни третьої основи у 32 кодонах їх зміст не змінюється. У 26 кодонах зміст не змінюється, якщо одна пуринова або піримідинова основи замінюється на такі ж інші.

Важливою властивістю генетичного коду є його неперекриває- мість – кожен із триплетів не залежить від іншого. Кожен із нуклео- тидів кодону не може транслюватися в сполученні з іншими трипле- тами. Нижче показана різниця між триплетами, що не перекрива- ються і перекриваються:

1, 2, 3 – номери триплетів

Винятків із цього правила дуже мало.

У 1975 р. в лабораторії Ф. Сенгера виявили кодони, які перекри- валися, у бактеріофага ϕХ, де один ген повністю був розташований на ділянці другого.

Код не має сигналів розділення (знаків пунктуації), які познача- ють початок одного або кінець другого триплету. Тому набуває ви- ключно великого значення визначення початку зчитування (рамки). Якщо буде збита рамка зчитування, може синтезуватися дефектний білок, що має місце, наприклад, при дії окремих антибіотиків на біо- синтез білка в мікроорганізмів і є причиною їх загибелі (наприклад, стрептоміцин та ін.).

Код є специфічним – кожній амінокислоті відповідають тільки певні кодони, які не можуть кодувати інші амінокислоти.

Код є колінеарним, тобто дотримується відповідність лінійної послідовності триплетів у мРНК і амінокислот у поліпептиді.

Одна з важливих властивостей коду – його універсальність. Три- нуклеотиди, які кодують одну й ту ж саму амінокислоту, мають од- наковий склад і послідовність для всіх організмів (бактерій, рослин, тварин та людини).

Усі перелічені вище властивості генетичного коду характерні для всіх живих організмів. Завдяки універсальності коду стає можли- вою генетична інженерія (див. нижче). Тотожність коду є доказом еволюційного шляху походження різних видів організмів. Хоча код універсальний, однаковий для всіх видів, можливі незначні видові відхилення, які виникли в процесі еволюції й диференціації. Незнач-

374

ним винятком із правила універсальності коду є код синтезу білків, наприклад, у мітохондріях людини й дріжджових клітинах. Код міто- хондрій людини подібний до вищеозначеного (табл.13), тільки чоти- ри триплети мають інший зміст: АУА – кодує метіонін, УГА- триптофан, АГА і АГГ – беззмістовні (термінуючі). У кодонах дріж- джових клітин встановлені ті ж зміни, що й для мітохондрій людини. Неодноразово висловлювалась думка, що мітохондрії – це «нащад- ки» одноклітинного організму, який здавна вступив у симбіоз із еу- каріотичною клітиною. На користь цього припущення свідчить на- явність у мітохондрій особливостей бактеріального коду, що пови- нно враховуватися при фармакотерапії деякими антибіотиками, які викликають порушення в процесі біосинтезу білка в мітохондріях людини і тварин (наприклад, левоміцетин та ін.).

Таким чином, шлях інформації відДНК добілкауявляється таким:

Рибосоми, їх структура і хімічний склад

У 50-ті роки ХХ ст. в дослідженнях П.Замечника та інших авто- рів було показано, що біосинтез білків відбувається в невеликих суб- клітинних утвореннях, які отримали назву рибосом. Останні було знайдено в усіх клітинах прокаріотів і еукаріотів. Великий внесок у дослідження структури й функції рибосом зробив російський вче- ний О.С.Спірін. Якщо виділити рибосоми шляхом диференційного центрифугування й роздивитися під електронним мікроскопом, то їх видно як щільні округлі гранули сферичної форми, які складаються із двох субодиниць: великої і малої. Рибосоми характеризуються кое- фіцієнтом або константою седиментації, яка визначається ультраце- нтрифугуванням і позначається літерою S (одиниця Сведберга, 1 10– 13 с). За розмірами й молекулярною масою всі рибосоми поділяють на три групи. Першу групу утворюють відносно дрібні бактеріальні рибосоми. Рибосоми прокаріотів мають константу седиментації 70 одиниць Сведберга і позначаються 70S. Вони дисоціюють на дві суб- одиниці з молекулярною масою (М.м.):

Другу групу утворюють великі рибосоми еукаріотичних клітин. Во- ни маютьконстанту седиментації80S і складаються іздвох субодиниць:

375

Третю групу складають рибосоми мітохондрій і хлоропластів еукаріотичних клітин. Рибосоми мітохондрій належать до класу 70S, однак вони відзрізняються коефіцієнтом седиментації в різних груп еукаріотів. Так, у грибів він складає 70–74S, у вищих тварин – 55–60S, у вищих рослин – близько 80S. Рибосоми хлоропластів однорідніші за цією ознакою, коефіцієнт їхньої седиментації дорівнює 67–70S.

В основному рибосоми зображують у вигляді симетричної фігу- ри, в якій 30S субчастинка лежить на 50S-субодиниці, яка має подібну до сфери форму. На основі рентгеноструктурного аналізу й електро- нно-мікроскопічних методів було доведено, що тривимірна структу- ра частин рибосом дуже складна. Мала субчастинка вигнута у вигля- ді телефонної трубки, а більша нагадує ківш (рис.77). За формою субчастинки відповідають одна одній, хоча між ними залишається щілина. Через щілину проходить молекула мРНК, уздовж якої в про- цесі біосинтезу білка рухається рибосома. Із цієї щілини з'являється і новосинтезований поліпептидний ланцюг.

Рис.77. Більша (а) і менша (б) субчастинки рибосом (в)

До складу рибосом входять рРНК, білки, низькомолекулярні сполуки: ди- і поліаміни, різні солі, іони двовалентних металів Мg2+, Са2+, Мn2+ та ін.

Хімічний склад:

Рибосоми 80S побудовані складніше, в них міститься більше біл- ків, а це певним чином відображається на їх функції.

Характеристика рРНК. Рибосомна РНК у субчастинках рибосом представлена 3-ма фракціями в прокаріотів і 4-ма – в еукаріотів:

376

Більше вивчена рольфракцій у рибосом прокаріотів (кишкової пали- чки). 16S рРНК рибосом прокаріотів необхідна для контакту 30S субоди- ниці з мРНК; у ній є ділянка для зв'язування тРНК, яка доставляє активо- вані амінокислоти. У субчастинці 50S молекула 23S рРНК виконує струк- турну функцію, а 5S рРНК необхідна для взаємодії субодиниці з тРНК. От- же, тРНК з'єднується як з малою, так і з великою субодиницями. На ри- босомі є дві ділянки: одна з них сполучається з ланцюгом білка, який по- довжується, а друга– приєднує нову амінокислоту. Перша з них назива- єтьсяпептидильноюділянкоюабоП-ділянкою, адруга– аміноацильною, або А-ділянкою. Мала субодиниця еукаріотів (40S) містить молекулу 18S рРНК. Насубодиницях рибосом еукаріотівтакожєділянкидля контактуі зв'язуваннямРНК, тРНКірядукомпонентів, необхіднихдлясинтезубілка.

Рибосомні РНК утворюють каркас, із яким сполучаються білки, утворюючи компактний рибонуклеопротеїновий комплекс.

Вторинна структура рРНК утворюється за рахунок коротких двоспіральних ділянок молекули (шпильок). Близько 2/3 рРНК орга- нізовано в шпильки, решта молекули представлена однонитковими або «аморфними» ділянками, де зосереджені пуринові основи. Із «аморфними» ділянками сполучені переважно білки рибосом.

Білковий склад рибосом гетерогенний. Молекулярна маса рибосом- них білків варіює від 5000–7000 до 50000–75000. Набір білків у субодини- цях різноманітний. Кожен білок рибосоми унікальний, тобто представ- ленийоднієюмолекулою. Великогоуспіхудосягнутоувивченні білків 70S рибосом. У них ідентифіковано 55 поліпептидних ланцюгів, із них у 30S- субодиницях– 21, а в 50S-субодиницях– 34. Субодиниці рибосом клітин еукаріотів містять понад 70 різних білків. Вивчення видів специфічності рибосомних білків показало, що чим ближче в еволюційному відношенні видитваринаборослин, тимподібнішабудовацихбілків, інавпаки.

На даний час повністю розшифрована первинна структура всіх рРНК у 70S і 80S рибосомах і амінокислотна послідовність усіх 55 бі- лків 70S та частково білків 80S рибосом. У певних умовах рибосоми дисоціюють на субодиниці, а потім знову сполучаються – це має ве- лике значення на початку біосинтезу білка. Рибосоми активні лише в

377

повністю об’єднаному вигляді. Рибосоми, які не беруть участі в син- тезі білка, легко дисоціюють на свої субчастинки.

Етапи біосинтезу білка

1. Активація амінокислот, сполучення їх із тРНК та перенос до рибосом.

Цей процес йде в одну стадію, але для зручності й кращого тлу- мачення його розбивають на два етапи.

а) Активування амінокислот – утворення аміноациладенілатів. Амінокислоти в цитоплазмі знаходяться в неактивному стані.

Вони активуються за карбоксильною групою завдяки енергії АТФ, у присутності солей Mg2+ за допомогою спеціальних ферментів амі- ноацил-тРНК-синтетаз, що позначаються скорочено АРСази. Ці фе- рменти забезпечують обидва етапи процесу – активацію амінокис- лот і з'єднання їх із тРНК. Кожен фермент виявляє подвійну специ- фічність: до певної амінокислоти і до відповідної їй тРНК.

Спочатку, внаслідок взаємодії АТФ з амінокислотою, утворю- ється сполучений із ферментом проміжний продукт – аміноациладе- нілат, тобто змішаний ангідрид двох кислот: амінокислоти й АТФ. При цьому СООН-група амінокислоти сполучається ангідридним зв'язком із 5′-фосфатною групою АМФ із виділенням пірофосфату і утворенням макроергічного зв’язку, енергія якого використовується в подальшому для утворення пептидного зв'язку.

Процес активації амінокислот схематично можна зобразити таким чином:

378

Утворений аміноациладенілат знаходиться на ферменті (Е):

б) Перенесення аміноациладенілатів до місця синтезу білка – до рибосом.

Активовані амінокислоти повинні переноситися до рибосом. Це перенесення здійснюється тРНК.

Транспортні РНК – найбільш низькомолекулярні РНК, полі- нуклеотидний ланцюг їх складається в середньому з 75–90 нуклео- тидів, М.м.=23000–30000, вони розчинні у воді, тому їх ще позна- чають S-РНК. На їх частку припадає 10–20% сумарної РНК клітин. Їх основна роль полягає в тому, щоб транспортувати амінокисло- ти до рибосом з наступним утворенням поліпептидного ланцюга, тобто тРНК виконує роль адаптора – своєрідного посередника між послідовністю нуклеотидів мРНК та послідовністю амінокис- лотних залишків у білковій молекулі, оскільки між кодонами мРНК й амінокислотами неможливі специфічні взаємодії за ти- пом нуклеотидних пар (А...Т, Г...Ц). Кожна тРНК зв'язується з од- ного боку комплементарно з мРНК, а з другого – з певною аміно- кислотою. Різновидів тРНК стільки, скільки амінокислот, тобто кожна з 20 амінокислот має свою тРНК, а деякі й більше. Напри- клад, існують п'ять різних тРНК, які переносять серин. Всього ж у клі- тині присутні близько 60 різновидів тРНК.

На даний час встановлена нуклеотидна послідовність для бага- тьох тРНК. При їх порівнянні вдалося виявити багато загальних рис, характерних для структури тРНК. У всіх тРНК знайдено, крім чоти- рьох звичайних рибонуклеотидів (А, Г, Ц, У), 8–19% мінорних нукле- отидів. Виявлено близько 60 мінорних основ, серед яких – різні ме- тильовані піримідини (в тому числі й тимін), аденіни, гуаніни тощо, але найрозповсюдженішими й найуніверсальнішими серед них є псе- вдоуридин і дигідроуридин:

379

Молекули тРНК являють собою одиночний полінуклеотидний ланцюг, який утворює складну просторову структуру. Для зручності розкриття ролі просторової конформації тРНК у процесі біосинтезу білка його зображують у вигляді «листка конюшини» (рис. 78, а).

«Листок конюшини» містить 4 спіралізовані петлі й 2 стебла:

–стебло з 5′кінця в усіх тРНК починається залишком ГМФ;

–дигідроуридинова петля, яка містить декілька залишків дигід- роуридину (УН2) – забезпечує приєднання тРНК до ферменту аміно- ацил-тРНК-синтетази;

–антикодонова петля містить специфічний для кожної

тРНК тринуклеотид, що має назву «антикодон», відповідальний за приєднання тРНК до мРНК. Антикодон – це три поряд роз- ташовані пуринові й піримідинові основи на тРНК, комплемен- тарні кодону на мРНК;

–додаткова петля (її функція мало вивчена);

–псевдоуридилова петля (ТψЦ) містить незвичайний для РНК нуклеозид риботимідин (Т) і нуклеозид псевдоуридин (ψ), у якому

азотиста основа й пентоза сполучені незвичним вуглець-вуглецевим зв’язком (див. вище). Припускають, що саме завдяки цій петлі тРНК взаємодіє з рибосомою;

– акцепторний кінець – полінуклеотидний ланцюг усіх тРНК за- кінчується однаковим тринуклеотидом, який складається із двох ци- тидилових кислот і однієї аденілової кислоти з вільним 3′-ОН кінцем, до якого прикріплюється ефірним зв'язком специфічна амінокислота.

Рис. 78. Структура тРНК:

а– загальна структура різних тРНК,

б– просторова структура тРНК

380