27.1. Аминокислоты активируются и присоединяются к транспортным РНК под действием специфических синтетаз
Образование пептидной связи между аминогруппой одной аминокислоты и СООН-группой другой аминокислоты
термодинамически невыгодно. Этот термодинамический барьер преодолевается путем активации СООН-группы аминокислот-предшественников. Активированными промежуточными продуктами синтеза белка служат эфиры аминокислот, в которых карбоксильная группа аминокислоты связана с 2-или 3-гидроксильной группой рибозного остатка на 3-конце тРНК. Аминоацильная группа может быстро перемещаться из 2-положения в 3-положение и обратно. Этот активированный промежуточный продукт называется аминоацил-тРНК (рис. 27.1).
Присоединение аминокислоты к тРНК имеет значение не только потому, что при этом активируется ее карбоксильная группа и она может образовать пептидную связь, но и потому, что аминокислоты сами по себе не способны узнавать кодоны в мРНК. Аминокислоты переносятся к рибосомам специфическими тРНК, которые и узнают кодоны в мРНК. Таким образом, эти тРНК выполняют роль адапторных молекул.
В 1957 г. Пол Замечник и Малон Хогланд (Paul Zamecnik, Mahlon Hoagland) установили, что активация аминокислот и их последующее присоединение к тРНК катализируются специфическими аминоацил-тРНК-синтетазами, которые также называют активирующими ферментами. В реакциях, катализируемых некоторыми синтетазами, первая стадия состоит в образовании аминоациладенилата из аминокислоты и АТР. Это активированное соединение представляет собой смешанный ангидрид, в котором карбоксильная группа аминокислоты присоединена к фосфатной группе AMP. Другие синтетазы катализируют реакцию АТР, аминокислоты и тРНК без промежуточного образования доступного для обнаружения аминоациладенилата.
Следующий этап - перенос аминоацильной группы аминоацил-АМР на молекулу тРНК с образованием аминоацил-тРНК-активированного промежуточного продукта в синтезе белка.
Рис. 27.1. В аминоацил-тРНК аминокислота связана эфирной связью с 2- или 3-гидроксильной группой концевого аденозина.
Переносится ли аминоацильная группа на 2- или 3-гидроксильную группу рибозного остатка на 3-конце тРНК, зависит от того, о какой аминокислоте и какой аминоацил-тРНК-синтетазе идет речь. Активированная аминокислота может очень быстро перемещаться из 2- в 3-положение и обратно.
Суммарная реакция этапов активации и переноса описывается следующим уравнением:
для этой реакции близко к нулю, так как свободная энергия гидролиза эфирной связи аминоацил-тРНК соответствует свободной энергии гидролиза концевой фосфорильной группы АТР. Что же в таком случае запускает синтез аминоацил-тРНК? Как и можно было ожидать, реакция запускается гидролизом пирофосфата. Суммарная реакция этих превращений высокоэкзергонична:
Таким образом, на синтез аминоацил-тРНК затрачиваются две богатые энергией фосфатные связи. Одна из них расходуется на образование эфирной связи аминоацил-тРНК, другая сдвигает равновесие реакции в сторону образования продукта.
Стадии активации и переноса определенной аминокислоты катализируются одной и той же аминоацил-тРНК-синтетазой. В действительности аминоацил-АМР не диссоциирует из комплекса с синтетазой. Он прочно связывается с активным центром фермента нековалентными взаимодействиями. В норме аминоацил-АМР, образующийся в качестве промежуточного продукта синтеза аминоацил-тРНК, существует в течение непродолжительного времени, но он вполне стабилен и может быть легко выделен, если в реакционной смеси нет тРНК.
Мы уже встречались с ациладенилатным промежуточным продуктом при активации жирных кислот (разд. 17.6). Интересно отметить, что Пол Берг (Paul Berg) первым открыл этот промежуточный продукт в реакции активации жирных кислот, и он же позже выяснил, что этот продукт образуется также при активации аминокислот. Основное различие между этими реакциями состоит в том, что в первом случае роль акцептора ацильных групп играет СоА, а во втором - тРНК. Энергетика этих биосинтетических реакций очень сходна: обе они становятся необратимыми благодаря гидролизу неорганического пирофосфата.
Для каждой аминокислоты имеется по крайней мере одна аминоацил-тРНК-синтетаза. Эти ферменты различаются по размеру, субъединичной структуре и аминокислотному составу (табл. 27.1).
Таблица 27.1. (см. скан) Свойства некоторых аминоацил-тРНК-сннтетаз
Рис. 27.2. Пространственные модели валина и изолейцина. Синтетазы, активные в отношении этих аминокислот, высоко специфичны.
