Феликс Филатов - Клеймо создателя

Детальному анализу структуры и функции АРСаз посвящены очень основательные обзоры Карла Вѐзе 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.

На первом этапе происходит активация аминокислоты АТРазой :

аминокислота+ АТР→ аминоацил-AMP +РРi( пирофосфат ).

На втором этапе активированная аминокислота соединяется с соответствующей тРНК :

аминоацил-AMP + тРНК→ аминоацил-тРНК + АМР

Суммарное уравнение двух реакций :

аминокислота + тРНК + ATP→ аминоацил-тРНК + AMP + PPi

Сначала в активном центре синтетазы связываются соответствующая аминокислота и АТФ. Из трѐх фосфатных групп АТФ две отщепляются, образуя молекулу пирофосфата (PPi), а на их место становится аминокислота. Образованное соединение (аминоацил-аденилат) состоит из ковалентно связанных высокоэнергетической связью аминокислотного остатка и АТФ. Энергии, содержащейся в этой связи, хватает на все дальнейшие этапы, необходимые для того, чтобы аминокислотный остаток занял своѐ место в полипептидной цепи (то есть в белке). Аминоацил-аденилаты нестабильны и легко гидролизуются, если диссоциируют из активного центра синтетазы. Когда аминоацил-аденилат сформирован, с активным центром синтетазы связывается 3» -конец тРНК, антикодон которой соответствует активируемой этой синтетазой аминокислоте. Происходит перенос аминокислотного остатка с аминоацил-аденилата на 2» – либо 3» -ОН группу рибозы, входящей в состав последнего на 3» -конце аденина тРНК. Таким образом синтезируется аминоацил-тРНК, то естьтРНК несущая ковалентно присоединѐнный аминокислотный остаток. От аминоацил-аденилата при этом остаѐтся только АМФ. И аминоацил-тРНК, и АМФ освобождаются активным центром.

Каждая из двадцати аминоацил-тРНК-синтетаз должна всегда прикреплять к тРНК только свою аминокислоту, узнавая только одну из 20-ти протеиногенных аминокислот, и не связывая другие похожие молекулы, содержащихся в цитоплазме клетки. Аминокислоты значительно меньше тРНК по размерам, неизмеримо проще по структуре, поэтому их узнавание является значительно большей проблемой, чем узнавание нужной тРНК. В действительности, ошибки имеют место, но их уровень не превышает одной на 10,000 – 100,000 синтезированных аминоацил-тРНК. Некоторые аминокислоты отличаются друг от друга очень слабо, например, лишь одной метильной группой ( I и V, A и G ). Для таких случаев во многих аминоацил-тРНК-синтетазах эволюционировали механизмы, избирательно расщепляющие ошибочно синтезированные продукты. Процесс их распознавания и гидролиза называют редактированием…

Все аминоацил-тРНКсинтетазы произошли от двух предковых форм, и объединены на основе структурного сходства в два класса. Эти классы отличаются по доменной организации, структуре главного (амино-ацилирующего) домена, способу связывания и аминоацилирования тРНК. Аминоацилирующий домен аминоацил-тРНК синтетаз 1-го класса образован так называемой укладкой Россмана, в основе которой лежит параллельный β-лист. Ферменты 1-го класса являются в большинстве случаев мономерами. 76-й аденозин тРНК они аминоацилируют по 2» -ОН группе. Ферменты 2-го класса имеют в основе структуры аминоацилирующего домена антипараллельный β-лист. Как правило, они являются димерами, то есть имеют четвертичную структуру. За исключением фенилаланил-тРНКсинтетазы все они аминоацилируют 76-й аденозин тРНК по 3» -ОН группе. Каждый класс дополнительно делится на 3 подкласса – a, b и c по структурному сходству…

Глобула аминоацил-тРНК-синтетазы состоит из двух основных доменов – аминоацилирующего, в котором располагается активный центр и происходят реакции, и антикодон-связывающего, узнающего последовательность антикодона тРНК …»

Этот довольно пространный отрывок дает только самое общее впечатление о сложности структуры и функции АРСаз. Помимо основных описанных функций, они выполняют в клетке и другие, называемые неканоническими ; мы касаться их не будем.

И все же функция упомянутого выше антикодон-связывающего домена не является абсолютным условием аминоацилирования тРНК . Нина Энтелис в связи с этим отмечает, что « для аланиновой АРСазы, например, основным элементом узнавания служит неканоническая пара G-U в аминоакцепторном стебле. При замене этой пары на G-C, A-U и даже на U-G аланиновая тРНК теряет способность аминоацилироваться аланином. Если же в любой другой тРНК заменить третью пару аминоакцепторного стебля на G-U, то эта тРНК приобретает сродство к аланиновой АРСазе и способность присоединять аланин. Таким образом, для распознавания своей тРНК аланиновой АРСазе (и она не исключение) достаточно небольшого участка аминоакцепторного стебля ». У сериновой и лейциновой АРСаз E. coli антикодон также не участвует во взаимной рекогниции. Это, в частности, значит, что изменение антикодона в таких случаях – а иногда и в других, когда даже весь антикодон участвует в узнавании своей АРСазой, – не сможет повлиять на исходную специфичность аминокислоты – разве что сделает ее несколько менее эффективной.

Стоит еще раз упомянуть две особенности АРСаз. Во-первых, это очень различные в структурном отношении белковые молекулы, преимущественно классифицированные только по узнаваемому субстрату. Во-вторых, они обладают столь высокой специфичностью, что для ее характеристики даже используется особый термин – сверхспецифичность . Это свойство, отмечает Ольга Лаврик, тем более уникально, что « задачу специфичности АРСазы решают дважды: на стадии активации аминокислоты и на стадии взаимодействия с тРНК ». И это при скорости роста полипептидной цепи в 20 аминокислот в секунду (для прокариот; у эукариот эта скорость на порядок меньше).

А теперь – имея в виду все, о чем мы только что рассказали, – отметим следующие два обстоятельства: