«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 Вѐзе52; на русском языке о них довольно подробно можно прочесть в популярных статьях53 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.