Основные особенности структуры тРНК

В любой клетке присутствует очень много разных тРНК. Обычно молекула тРНК состоит приблизительно из 75−85 нуклеотидов и содержит уникальный триплет, который определяет, какую аминокислоту эта тРНК присоединяет и с каким кодоном, соответственно, она может спариться. Практически все тРНК независимо от их нуклеотидной последовательности обладают характерной вторичной структурой, которую называют структурой клеверного листа. Она так называется из-за наличия в ней трёх шпилек. Большинство молекул, которые имеют форму клеверного листа, содержат 4 области, каждая из которых обладает инвариантными свойствами независимо от аминокислотной специфичности этой тРНК.

Первая область. На 3`-конце молекулы всегда находятся 4 неспаренных нуклеотида, 3 из которых — CCA. 5`-конец и 3`-конец цепи РНК образуют акцепторный стебель. Цепи удерживаются вместе благодаря комплементарному спариванию 7-ми нуклеотидов 5`-конца с 7-ю нуклеотидами, находящимися вблизи 3`-конца.

Вторая область. У всех молекул имеется шпилька TШC. Она содержит 2 необычных остатка: риботимидин (T) и псевдоуридин (Ш). Эта шпилька состоит из двухцепочечного стебля из 5-ти нуклеотидов, включая пару GC рядом с петлёй из 7-ми нуклеотидов. ТринуклеотидTШCвсегда расположен в одном и том же месте петли.

Третья область. В антикодоновой шпильке стебель всегда представлен 7-ю спаренными основаниями. Триплет, комплементарный родственному кодону носит название антикодон и находится в петле из 7-ми нуклеотидов. С 5`-конца антикодон фланкирует инвариантный остаток урацила (антикодон ровно посередине). С 5`-конца от этого кодона находится инвариантный остаток урацила и модифицированный цитозин. С 3`-конца примыкает модифицированный пурин (как правило, это аденин).

Четвёртая область. Представлена ещё одной шпилькой, которая состоит из стебля длиной 3−4 пн, а также петли, которая имеет разный размер. Эта петля очень часто содержит в своём составе урацил в восстановленной форме (дигидроурацил), поэтому эту петлю часто называют D-петля. Наиболее сильно варьируют нуклеотидные последовательности стеблей, а также число нуклеотидов между антикодоновым стеблем и стеблем TШC. Это вариабельная (дополнительная) петля. Также может изменяться размер D-петли и расположение дигидроурацила в ней. Все остальные характеристики постоянны.

Рентгеноструктурный анализ некоторых молекул тРНК позволил выявить их третичную структуру. Эта структура более компактна, чем структура клеверного листа, и образуется за счёт внутримолекулярных взаимодействий, которые сближают D-петлю и TШC-петлю. В результате молекула тРНК выглядит так, будто она состоит из 2-х взаимно перпендикулярных частей. В одной части будет находиться акцепторный участок, а в другой части — антикодон. Из-за такого общего вида эта структура получила название L-конфигурация. L-структура представляется более адекватной, чем клеверный лист, если учесть, что тРНК играют роль адаптера при взаимодействии кодона и антикодона на рибосоме. Акцептором для одной и той же аминокислоты обычно служат несколько разных тРНК (изоакцепторные). Эти тРНК имеют разные антикодоны, что позволяет им спариваться с кодонами-синонимами. Отчасти этим и объясняется вырожденность кода (способность разных антикодонов детерминировать одну и ту же аминокислоту). Из акцепторной тРНК узнаются единственной аминоацил-тРНК-синтетазой, специфичной только для данной аминокислоты. Взаимодействие между кодоном, мРНК и антикодоном тРНК происходит путём комплементарного спаривания оснований, но по правилам, которые значительно отличаются от классических, которые описывают взаимодействие пар GC и AU. Правила, описывающие кодон-антикодоновые взаимодействия, сведены в гипотезу неоднозначного спаривания (гипотеза качелей — wobblehypothesis). Эта гипотеза гласит, что образование пары кодон-антикодон в 2-х первых положениях кодона всегда происходит по каноническим правилам. Но в 3-ем основании возможно колебание (неоднозначное спаривание — wobbling). Этот момент объясняется тем, что конформацияантикодоновой петли тРНК допускает значительную подвижность первого основания антикодона. Третье положение кодона будет соответствовать первому положению антикодона. Для выполнения функции адаптера в процессе трансляции матричной РНК транспортная РНК должна связаться с аминокислотой, соответствующей своему антикодону. Этот процесс носит название распознавания (рекогниция). Это происходит в результате АТФ-зависимой реакции, которая катализируется специфическими ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами (кодазы). Эти ферменты обеспечивают правильное взаимодействие аминокислот с тРНК. В ходе реакции АТФ расщепляется на АМФ и неорганический фосфат, а высвобождаемая при этом энергия используется для присоединения карбоксильной группы аминокислоты к одной из карбоксильных групп рибозы на 3`-конце тРНК. Реакция протекает в 2 стадии:

• 1) На первом этапе карбоксильная группа аминокислоты присоединяется к б-фосфату молекулы АТФ, что сопровождается высвобождением неорганического фосфата и образованием промежуточного продукта — аминоациладенилата. Аминоациладенилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизируется благодаря прочному связыванию с ферментом.
• 2) Второй этап состоит в переносе аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоациладенилата либо на 2`-конец, либо на 3`-OH-группу концевой рибозы транспортной РНК. Перенос потенциала переноса ацильной группы аминоацил-тРНК более чем достаточно для образования пептидной связи без дополнительного поступления энергии. Ключевой особенностью реакций, приводящей к аминоацетилированиютРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоединение к тРНК каждой из 20-ти аминокислот, которые встречаются в белках, катализируются определённой аминоацил-тРНК-синтетазой (для каждой аминокислоты свой фермент). Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19-ти других и перенести её к одной или нескольким из акцепторных тРНК из имеющихся уже порядка 75-ти тРНК. Поэтому точность первого шага на пути считывания генетической информации обеспечивается чёткой работой аминоацил-тРНК.

Несмотря на то, что все аминоацил-тРНК-синтетазы выполняют одну и ту же функцию, они представляют собой достаточно гетерогенную группу белков. Сами ферменты могут существовать как в виде мономеров, так и виде димеров и даже тетрамеров.

Активной центр синтетазы представлен небольшой частью молекулы. На основе особенностей домена, который образует активный центр фермента, все синтетазы разделяют на 2 класса. Каждый из классов состоит из 10-ти ферментов. Оба класса возникли как независимые белковые последовательности. Каталитический центр фермента, который включает сайты связывания АТФ и аминокислоты, перекрывается вставкой домена, который ответственен за взаимодействие с акцепторной спиралью тРНК, в результате чего акцепторный конец тРНК располагается в непосредственной близости от каталитического участка синтетазы. Отдельный домен отвечает за связывание антикодонового плеча тРНК. Отличие классов ферментов: 2 класса ферментов связывают тРНК с противоположных сторон, в результате чего модели взаимодействия тРНК-белок для 2-х групп этих ферментов выглядят почти как зеркальные отражения друг друга.

Синтетаза 1-го класса, к которой относится, например, глицин-тРНК-синтетаза, контактирует с тРНК со стороны D-петли.

Синтетаза 2-го класса, например, аспарагин-тРНК-синтетаза, контактирует с другой стороной тРНК, она узнаёт вариабельную петлю и большую бороздку акцепторного стебля.

Ещё одним важным свойством кодаз является то, что они обладают редактирующей активностью, которая позволяет тщательно анализировать каждую синтезированную аминоацил-тРНК, и если к тРНК была прикреплена неправильная аминокислота, кодазы способны гидролизовать ошибочное спаривание.