Сергей Ястребов - От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

ДНК ⇔ РНК ⇒ белок

Эта новая стрелочка обозначает обратную транскрипцию , то есть синтез ДНК, воспроизводящей последовательность заданной РНК. Обратная транскрипция — очень серьезное отступление от первоначально сформулированной «центральной догмы», настолько серьезное, что поначалу в него просто-напросто не поверили. Сейчас известно, что это вполне реальный процесс (на нем специализируются некоторые вирусы). Однако важнее всего тут сам факт: встречный поток генетической информации все-таки существует. Фермент, синтезирующий ДНК по последовательности данной РНК, называется, естественно, РНК-зависимой ДНК-полимеразой.

Обратная транскрипция упоминается в знаменитой повести Стругацких «За миллиард лет до конца света». Один из героев этой повести, биолог Валентин Вайнгартен, говорит друзьям: «Вы этого, отцы, понять не можете, это связано с обратной транскриптазой, она же РНК-зависимая ДНК-полимераза, она же просто ревертаза, это такой фермент в составе онкорнавирусов, и это, я вам прямо скажу, отцы, пахнет нобелевкой…» Между прочим, Стругацкие здесь поразительно точны. Действие повести «За миллиард лет до конца света» происходит в 1972 году, именно в тот исторический момент, когда открытие обратной транскрипции было актуальной научной новостью.

А теперь вернемся к процессу трансляции. В нем остались интересные детали, которые нам стоит обсудить.

Откуда рибосома «знает», какую именно аминокислоту она должна в данный момент присоединить к растущей белковой цепочке? Оказывается, в этом ей помогает еще одна разновидность РНК. Это — транспортная РНК (тРНК) , занимающаяся только переносом аминокислот.

Транспортная РНК — одноцепочечная, но она причудливым образом фигурно сложена (см. рис. 9.5А). И, кроме того, на разных ее отрезках есть комплементарные друг другу участки, способные, сближаясь друг с другом, образовывать двойные спирали. Типичная конформация тРНК, перехваченная этими двойными спиралями в трех местах, имеет характерный вид трилистника и называется «клеверным листом». (Между прочим, именно стилизованный «клеверный лист» тРНК является официальной эмблемой биологического факультета МГУ.) Для каждой аминокислоты есть своя тРНК, и чаще всего не одна.

Мимоходом отметим, что у транспортных РНК есть еще одна интересная особенность: в их состав входит много разных химически модифицированных нуклеотидов, которые называют минорными. Например, буквой ψ («пси») принято обозначать минорный нуклеотид псевдоуридин, в состав которого входит вместо урацила один его довольно экзотичный изомер. Транспортная РНК кодируется собственными генами, синтезируется путем транскрипции (точно так же, как информационная РНК), а потом некоторые нуклеотиды в ней модифицируются. Тем не менее по общей формуле это обычная нуклеиновая кислота.

Транспортная РНК — относительно небольшая молекула, ее длина обычно всего 70–90 нуклеотидов. Вблизи ее 3'-конца находится универсальная для всех тРНК концевая последовательность ЦЦА. (Тут стоит обратить внимание на то, что нуклеотидные последовательности по умолчанию принято читать от 5'-конца к 3'-концу, подобно тому, как обычный буквенный текст читают слева направо.) Именно к 3'-концу тРНК всегда присоединяется аминокислота.

Само присоединение аминокислоты выглядит так (см. рис. 9.5Б). Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (он же просто кодаза) сшивает с выделением воды 3'-гидроксил концевого аденозина тРНК и карбоксильную группу аминокислоты. Последняя тем самым временно превращается в ковалентно связанный с рибозой остаток R−CH(NH 2)−CO−, который называется аминоацилом. Также в этой реакции участвует АТФ, который расщепляется в ходе нее до АМФ. Но главный продукт реакции — это аминоацил-тРНК, то есть молекула транспортной РНК с висящей на «черешке клеверного листа» ковалентно пришитой аминокислотой, временно превратившейся в аминоацил.

На вершине самой дальней от «черешка» петли тРНК всегда находится антикодон — нуклеотидный триплет, комплементарный кодону той самой аминокислоты, которую данная тРНК переносит. Например, если аминокислота фенилаланин кодируется кодоном УУУ, то соответствующая транспортная РНК несет антикодон ААА (поскольку, как мы знаем, урацил комплементарен аденину). Чтобы соединение произошло правильно, активный центр кодазы должен одновременно распознать и молекулу тРНК, и аминокислоту — не какую угодно, а ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону этой тРНК. Это сложная задача, но кодаза с ней обычно справляется.

Дальше вступает в действие простой механизм (см. рис. 9.6). Во время трансляции любая проплывающая мимо аминоацил-тРНК может чисто случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к растущей белковой цепочке, а сама продвинется по иРНК на один шаг вперед (в сторону 3'-конца). После чего цикл повторится.

Антикодон тРНК, связанной с рибомосой, всегда комплементарен кодону, находящемуся в данный момент в активном центре этой рибосомы. Иначе трансляция не пойдет. Добавим, что белок при трансляции всегда синтезируется от N-конца к C-концу, то есть от свободной аминогруппы к свободному карбоксилу, но не наоборот (см. главу 3). Именно поэтому аминокислотные последовательности белков в таком же порядке и записываются в базах данных.

Источниками энергии для трансляции (и для транскрипции тоже) служат нуклеозидтрифосфаты. Причем в данном случае это не столько уже знакомый нам АТФ, сколько гораздо менее распространенный ГТФ. Почему так? Ведь АТФ в клетке больше, а с точки зрения энергии выбор между АТФ и ГТФ не дает ни заметного проигрыша, ни заметного выигрыша, энергетическая «цена» реакций распада этих веществ примерно одна и та же.

Поставим вопрос иначе: почему вообще самой универсальной «энергетической валютой» стал АТФ, а не ГТФ, ЦТФ или УТФ? Простейшую подсказку можно получить, если взглянуть на формулы четырех азотистых оснований. Аденин — единственное из них, в котором нет ни одного атома кислорода. В молекулах гуанина, цитозина и урацила кислород есть. На древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере было очень мало, аденин наверняка легче всего синтезировался, и, соответственно, адениновые нуклеотиды тоже. Клетки использовали тот химический субстрат, который был самым доступным. Возможно, как раз поэтому именно молекула АТФ стала универсальным переносчиком энергии [67] Здесь воспроизведена идея, которую высказал в сетевом обсуждении китайский биохимик Минь Чжоу: https://www.researchgate.net/post/Why_did_evolution_favor_ATP_and_not_GTP_TTP_or_CTP .