оглавление

Оглавление
Предисловие.............................................................................................................................. 3
Часть I. Вводная
Глава 1. Мир РНК и биосинтез белков...................................................................... 5
1.1. Центральная догма молекулярной биологии.................................................................... 5
1.2. Кодирующие и некодирующие РНК................................................................................ 7
1.3. Общая схема биосинтеза белков...................................................................................... 11
1.4. Принципы макромолекулярной структуры РНК............................................................13
1.4.1. Вторичная структура..............................................................................................13
1.4.2. Третичная структура..............................................................................................18
1.5. Мир РНК и происхождение жизни.................................................................................23
1.5.1. Многофункциональность РНК.............................................................................23
1.5.2. Гипотеза о древнем мире РНК.............................................................................26
1.5.3. Компартментализация как условие биологической эволюции..........................28
1.5.4. Эволюция древнего мира РНК путем «систематического
экспоненциального обогащения»........................................................................30
Литература к главе 1............................................................................................................... 34
Глава 2. Информационная РНК и генетический код.............................................37
2.1. Расшифровка генетического кода....................................................................................37
2.2. Особенности генетического кода.....................................................................................42
2.3. Структура мРНК.............................................................................................................. 44
2.3.1. Первичная структура и функциональные области цепи мРНК........................ 44
2.3.2. Трехмерная структура мРНК................................................................................47
2.4. Информационные рибонуклеопротеидные частицы высших эукариот
(информосомы, или мРНП)...................................................................................................48
2.4.1. Особенности структуры белков YB и PABP........................................................50
2.4.2. Изменение соотношения двух мажорных белков мРНП,
ассоциированных с мРНК, при переходе мРНК из нетранслируемого
в транслируемое состояние..................................................................................52
2.4.3. Влияние белка YB на конформацию мРНК-белковых комплексов..................53
2.4.4. Роль белков YB и РАВР в обеспечении стабильности мРНК........................... 54
Литература к главе 2................................................................................................................55
Глава 3. Транспортная РНК и аминоацил-тРНК-синтетазы...............................57
3.1. Открытие............................................................................................................................57
3.2. Структура тРНК................................................................................................................58
3.2.1. Первичная структура.............................................................................................58
3.2.2. Вторичная структура.............................................................................................62
3.2.3. Третичная структура............................................................................................ 64
3.3. Аминоацил-тРНК-синтетазы...........................................................................................68
3.4. Аминоацилирование тРНК..............................................................................................72
489
3.5. Специфичность аминоацилирования тРНК...................................................................76
3.5.1. Специфичность по отношению к аминокислоте................................................76
3.5.2. Специфичность по отношению к тРНК.............................................................77
3.5.3. Специфические модификации аминоацильных остатков после
аминоацилирования..............................................................................................79
Литература к главе 3................................................................................................................80
Глава 4. Рибосомы и трансляция................................................................................82
4.1. Первые наблюдения..........................................................................................................82
4.2. Локализация рибосом в клетке........................................................................................83
4.3. Рибосомы прокариот и эукариот.................................................................................... 84
4.4. Полирибосомы..................................................................................................................86
4.5. Стадии трансляции: инициация, элонгация и терминация.......................................... 90
4.6. Химические реакции и суммарный энергетический баланс биосинтеза белка........... 90
4.7. Бесклеточные системы трансляции.................................................................................92
Литература к главе 4................................................................................................................96
Часть II. Структура рибосомы
Глава 5. Морфология рибосомы.................................................................................98
5.1. Размер, внешний вид и подразделение на субъединицы...............................................98
5.2. Малая субъединица.........................................................................................................100
5.3. Большая субъединица.....................................................................................................102
5.4. Ассоциация субъединиц в полную рибосому................................................................104
5.5. Структура рибосомы с низким разрешением...............................................................104
5.6. Структура рибосомы с атомным разрешением.............................................................107
Литература к главе 5..............................................................................................................107
Глава 6. Рибосомная РНК.........................................................................................109
6.1. Введение...........................................................................................................................109
6.2. Типы рибосомных РНК и их первичная структура......................................................109
6.2.1. РНК малой рибосомной субъединицы.............................................................. 110
6.2.2. РНК большой рибосомной субъединицы......................................................... 110
6.2.3. Модифицированные нуклеозиды рибосомных РНК........................................ 111
6.3. Вторичная структура рибосомных РНК........................................................................ 113
6.3.1. Основные принципы........................................................................................... 113
6.3.2. Характерные структурные мотивы..................................................................... 116
6.3.2.1. Двуспиральные участки ближнего порядка («шпилечные» спирали)...... 116
6.3.2.2. Торцевые петли............................................................................................ 118
6.3.2.3. Псевдоузлы................................................................................................... 118
6.3.2.4. Однотяжевые спирали................................................................................. 119
6.4. Конформационная подвижность и компактное сворачивание рибосомных РНК.... 119
6.4.1. Конформационная подвижность изолированных рибосомных РНК.............. 119
6.4.2. Специфическое сворачивание изолированных рибосомных РНК
в компактные рибосомоподобные структуры................................................... 120
6.4.3. Разворачивание компактных рибосомных частиц............................................ 122
6.5. Третичная структура рибосомных РНК........................................................................ 123
6.5.1. 16S рибосомная РНК........................................................................................... 123
6.5.1.1. Дальние комплементарные взаимодействия и подразделение
на домены................................................................................................... 123
6.5.1.2. Коаксиальный стэкинг спиралей................................................................ 124
6.5.1.3. Боковые спираль-спиральные взаимодействия......................................... 124
6.5.1.4. Перпендикулярные спираль-петлевые взаимодействия............................ 125
490
6.5.1.5. Общий вид третичной структуры................................................................ 125
6.5.2. 23S рибосомная РНК.......................................................................................... 127
6.5.2.1. Общий черешок и структурные домены..................................................... 127
6.5.2.2. Внутридоменные спираль-спиральные взаимодействия.......................... 128
6.5.2.3. Междоменные взаимодействия................................................................... 129
6.5.2.4. Общий вид третичной структуры............................................................... 129
6.5.3. 5S рибосомная РНК............................................................................................ 129
Литература к главе 6.............................................................................................................. 131
Глава 7. Рибосомные белки и четвертичная структура рибосомы..................... 133
7.1. Разнообразие и номенклатура рибосомных белков...................................................... 133
7.2. Первичные структуры белков......................................................................................... 137
7.3. Пространственные структуры белков............................................................................ 138
7.4. Белковые комплексы....................................................................................................... 141
7.5. Взаимодействия белков с рибосомной РНК.................................................................142
7.6. Разборка и самосборка рибосомных частиц.................................................................143
7.6.1. Разборка («раздевание»)......................................................................................143
7.6.2. Сборка белков на РНК (реконструкция)...........................................................146
7.7. Периферическая локализация белков и их топография...............................................148
7.7.1. Белковая периферия и ядро РНК.......................................................................148
7.7.2. Идентификация соседствующих белков............................................................. 150
7.7.3. Иммуноэлектронно-микроскопическая идентификация белков
на поверхности рибосомных субъединиц.......................................................... 151
7.7.4. Рентгеноструктурный анализ рибосомных субъединиц................................... 153
Литература к главе 7..............................................................................................................156
Часть III. Функционирование рибосомы
Глава 8. Функциональные активности и функциональные участки
рибосомы....................................................................................................................... 160
8.1. Рабочий цикл рибосомы.................................................................................................160
8.2. Связывание, удержание и скольжение мРНК (мРНК-связывающий участок
на малой субъединице)..........................................................................................................164
8.3. Катализ реакции образования пептидной связи (пептидилтрансферазный
центр на большой субъединице)........................................................................................... 167
8.4. ГТФ-зависимое связывание факторов трансляции (участок связывания
белковых факторов на большой субъединице).................................................................... 173
8.5. Связывание аминоацил-тРНК и удержание пептидил-тРНК
(тРНК-связывающие центры в межсубъединичном пространстве)................................... 178
8.5.1. А-участок.............................................................................................................. 180
8.5.2. Р-участок............................................................................................................. 182
8.5.3. Е-участок: участок выхода деацилированной тРНК........................................ 183
8.5.4. Промежуточные, или «гибридные», положения тРНК в транслирующей
рибосоме.............................................................................................................. 185
8.6. Перемещения лигандов: функция транслокации......................................................... 187
Литература к главе 8.............................................................................................................. 187
Глава 9. Элонгационный цикл, стадия I: связывание аминоацил-тРНК......... 189
9.1. Кодон-антикодоновое взаимодействие.......................................................................... 189
9.1.1. Адаптерная гипотеза и ее доказательство.......................................................... 189
9.1.2. Концепция комплементарного антикодона.......................................................190
9.1.3. Нестрогое соответствие при кодон-антикодоновом спаривании (wobbleгипотеза Крика)...................................................................................................190
491
9.1.4. Уточнения правил нестрогого соответствия......................................................194
9.1.5. Стереохимия кодон-антикодонового спаривания.............................................195
9.1.6. Смыкание структурных блоков малой рибосомной субъединицы
при кодон-антикодоновом взаимодействии......................................................196
9.2. Участие фактора элонгации 1 (EF-Tu или eEF1A) в связывании
аминоацил-тРНК...................................................................................................................197
9.2.1. EF1A и его взаимодействия................................................................................197
9.2.2. Связывание тройственного комплекса с рибосомой........................................200
9.2.3. Роль ГTФ и его гидролиза в катализе связывания аминоацил-тРНК............203
9.3. Ингибиторы связывания аминоацил-тРНК.................................................................205
9.3.1. Тетрациклины......................................................................................................205
9.3.2. Аминогликозиды.................................................................................................207
9.3.3. Некоторые непрямые ингибиторы..................................................................... 211
9.4. Ложное кодирование...................................................................................................... 213
9.4.1. Ложное считывание поли(U).............................................................................. 214
9.4.2. Прочитывание («текучесть») стоп-кодонов....................................................... 215
9.4.3. Основные типы некорректного спаривания..................................................... 215
9.4.4. Факторы, вносящие вклад в ложное кодирование........................................... 216
9.4.5. Уровень ложного кодирования in vivo в нормальных условиях...................... 217
9.4.6. Кинетические механизмы ложного кодирования и его коррекции................. 219
9.5. Общая схема последовательности событий при связывании аминоацил-тРНК
с рибосомой...........................................................................................................................221
9.5.1. Сканирование (перебор) тРНК (стадия 1)........................................................221
9.5.2. Узнавание антикодона (стадия 2).......................................................................223
9.5.3. Гидролиз ГTФ (стадия 3)....................................................................................223
9.5.4. Освобождение EF-Tu (стадия 4)........................................................................224
Литература к главе 9..............................................................................................................225
Глава 10. Элонгационный цикл, cтадия II: транспептидация (образование
пептидной связи).......................................................................................................... 227
10.1. Химия реакции..............................................................................................................227
10.2. Стереохимическое рассмотрение реакции..................................................................229
10.3. Структурные основы катализа транспептидации.......................................................232
10.4. Спонтанное посттранспептидационное смещение продуктов транспептидации
как предпосылка транслокации............................................................................................234
10.5. Энергетический баланс реакции..................................................................................236
10.6. Ингибиторы................................................................................................................... 237
10.6.1. Хлорамфеникол.................................................................................................. 237
10.6.2. Линкозамиды.....................................................................................................239
10.6.3. 4-Аминогексозопиримидиннуклеозидные антибиотики................................239
10.6.4. Макролиды.........................................................................................................240
10.6.5. Стрептограмин А............................................................................................... 241
10.6.6. Стрептограмин В............................................................................................... 241
10.6.7. Спарсомицин.....................................................................................................243
10.6.8. Анизомицин.......................................................................................................244
Литература к главе 10............................................................................................................244
Глава 11. Элонгационный цикл, стадия III: транслокация.................................246
11.1. Определения и экспериментальные термины..............................................................246
11.2. Участие фактора элонгации (EF-G или eEF2) в транслокации.................................248
11.2.1. Структура белка EF2..........................................................................................248
11.2.2. Взаимодействия EF2..........................................................................................250
11.2.3. Транслокационные интермедиаты.................................................................... 251
492
11.2.4. Роль ГТФ и его гидролиза в катализе транслокации......................................253
11.2.5. Факторзависимый элонгационный цикл.........................................................254
11.3. Бесфакторная («неэнзиматическая») транслокация...................................................254
11.4. Передвижения матрицы при транслокации.................................................................257
11.4.1. Триплетная транслокация..................................................................................257
11.4.2. Нетриплетная транслокация (транслокационные ошибки)...........................258
11.4.2.1. Сдвиг рамки на стадии связывания аминоацил-тРНК............................259
11.4.2.2. Сдвиг рамки на стадии транслокации......................................................260
11.4.3. Рибосомные «прыжки»......................................................................................263
11.5. Механика и энергетика транслокации.........................................................................268
11.5.1. Механика.............................................................................................................268
11.5.2. Энергетика..........................................................................................................269
11.6. Ингибиторы транслокации...........................................................................................270
11.6.1 Аминогликозиды и аминоциклитолы................................................................270
11.6.2. Виомицин (туберактиномицин)....................................................................... 271
11.6.3. Тиострептон....................................................................................................... 273
11.6.4. Фусидовая кислота............................................................................................ 273
11.6.5. Глутаримиды....................................................................................................... 274
11.6.6. Неспецифические агенты, ингибирующие транслокацию............................. 274
11.7. Резюме: последовательность событий и молекулярные механизмы.......................... 275
Литература к главе 11.............................................................................................................277
Глава 12. Скорость элонгации и ее модуляция...................................................... 279
12.1. Скорость элонгации у прокариот и эукариот..............................................................279
12.1.1. «Транзитное время»............................................................................................279
12.1.2. Средняя скорость элонгации и ее вариации....................................................280
12.1.3. Профиль полирибосом...................................................................................... 281
12.2. Неравномерность элонгации........................................................................................282
12.2.1. Трансляционные паузы......................................................................................282
12.2.2. Модулирующие кодоны.....................................................................................283
12.2.3. Структурные барьеры на мРНК.......................................................................285
12.2.4. Новосинтезируемые пептиды, ингибирующие рибосому...............................285
12.3. Избирательная регуляция скорости элонгации на специфических мРНК...............287
12.4. Тотальная регуляция элонгации...................................................................................288
12.4.1. Общие изменения скорости элонгации...........................................................288
12.4.2. Фосфорилирование фактора элонгации 2.......................................................289
12.4.3. Модификации фактора элонгации 1................................................................290
12.5. Белковые токсины, воздействующие на элонгацию...................................................290
12.5.1. Дифтерийный токсин........................................................................................291
12.5.2. Шига-токсин......................................................................................................292
12.5.3. Альфа-сарцин....................................................................................................293
12.5.4. Растительные белковые токсины......................................................................293
12.5.5. Искусственные химерные токсины..................................................................294
Литература к главе 12............................................................................................................295
Глава 13. Терминация трансляции............................................................................298
13.1. Кодоны терминации......................................................................................................298
13.2. Белковые факторы терминации...................................................................................300
13.2.1. Факторы терминации класса 1..........................................................................301
13.2.2. Факторы терминации класса 2.........................................................................303
13.2.3. Фактор «повторного использования рибосомы», или RRF (RF4).................304
13.3. Связывание факторов терминации с рибосомой........................................................305
13.4. Гидролиз пептидил-тРНК.............................................................................................307
493
13.5. Эвакуация деацилированной тРНК.............................................................................308
13.6. Общий сценарий последовательности событий в процессе терминации................. 310
Литература к главе 13............................................................................................................ 312
Глава 14. Инициация трансляции............................................................................ 315
14.1. Общие принципы.......................................................................................................... 315
14.1.1. Значение стадии инициации............................................................................. 315
14.1.2. Прокариотический и эукариотический способы инициации......................... 316
14.1.3. Основные участники механизма инициации................................................... 316
14.1.4. Этапы инициации.............................................................................................. 319
14.2. Инициация у прокариот...............................................................................................321
14.2.1. Основные особенности прокариотической инициации.................................321
14.2.2. Участок связывания с рибосомой на мРНК и кодон инициации..................322
14.2.3. Прокариотическая инициаторная тРНК.........................................................326
14.2.4. Прокариотические факторы инициации.........................................................329
14.2.5. Последовательность событий инициации трансляции...................................330
14.3. Инициация у эукариот..................................................................................................333
14.3.1. Особенности эукариотических мРНК..............................................................333
14.3.2. Кэп-структура и инициаторные кодоны..........................................................335
14.3.3. Внутренние участки инициации......................................................................337
14.3.4. Эукариотическая инициаторная тРНК............................................................339
14.3.5. Рибосомные факторы инициации....................................................................342
14.3.6. мРНК-связывающие факторы инициации......................................................345
14.3.6.1. Кэп-связывающий комплекс.....................................................................345
14.3.6.2. РНК-хеликазный комплекс.......................................................................346
14.3.7. Факторы инициации, участвующие в формировании 80S рибосом..............349
14.3.8. Дополнительные IRES-связывающие факторы и факторнезависимые
IRES....................................................................................................................349
14.3.8.1. ITAF.............................................................................................................349
14.3.8.2. eIF-независимые IRES...............................................................................350
14.3.9. 3′-Концевые усилители инициации.................................................................352
14.3.9.1. Поли(А)-«хвост».........................................................................................352
14.3.9.2. 3′-Концевая шпилька гистоновой мРНК.................................................353
14.3.9.3. Структурированные домены 3′-нетранслируемой области РНК
растительных вирусов................................................................................354
14.3.9.4. Концевой тРНК-подобный домен РНК растительных вирусов.............355
14.3.10. Последовательность событий канонической инициации трансляции.........356
Литература к главе 14............................................................................................................357
Глава 15. Регуляция трансляции у прокариот........................................................360
15.1. Общие положения..........................................................................................................360
15.2. Дискриминация мРНК................................................................................................. 361
15.3. Трансляционное сопряжение.......................................................................................363
15.3.1. Инициация, индуцированная трансляцией предыдущего цистрона.............364
15.3.2. Последовательная трансляция полицистронных матриц путем
реинициации......................................................................................................368
15.4. Трансляционная репрессия..........................................................................................370
15.4.1. Регуляция трансляции РНК бактериофага MS2.............................................. 371
15.4.2. Регуляция трансляции мРНК рибосомных белков.........................................376
15.4.3. Трансляционная авторегуляция синтеза треонил-тРНК-синтетазы.............384
15.5. «Рибопереключения»....................................................................................................386
15.6. Антисмысловое блокирование.....................................................................................391
Литература к главе 15............................................................................................................393
494
Глава 16. Регуляция трансляции у эукариот...........................................................396
16.1. Значение регуляции трансляции у эукариот...............................................................396
16.2. Тотальная регуляция трансляции путем модификации факторов инициации.........397
16.2.1. Фосфорилирование eIF2...................................................................................397
16.2.2. Фосфорилирование eIF4E и 4Е-BP.................................................................400
16.3. Дискриминация мРНК инициирующими рибосомными частицами
и факторами инициации.......................................................................................................401
16.3.1. Дискриминация мРНК через сродство к рибосомной частице......................401
16.3.2. Дискриминация мРНК посредством мРНК-связывающих факторов
инициации..........................................................................................................402
16.3.3. Модуляция трансляционной дискриминации при тотальных
изменениях скоростей элонгации или инициации.........................................404
16.4. Регуляция инициации короткими открытыми рамками считывания (uORF)..........406
16.4.1. Ингибирование реинициации, независимое от нуклеотидной
последовательности предшествующей ORF.....................................................407
16.4.2. Ингибирование реинициации, зависимое от нуклеотидной
последовательности предшествующей ORF..................................................... 410
16.4.3. ORF-зависимое шунтирование мРНК сканирующими рибосомами............ 411
16.5. Трансляционная репрессия.......................................................................................... 412
16.5.1. Репрессия путем запрещения посадки инициирующего рибосомного
комплекса на мРНК........................................................................................... 413
16.5.1.1. Регуляция трансляции ферритиновой мРНК........................................... 413
16.5.1.2. Регуляция трансляции мРНК орнитиндекарбоксилазы
и c-myc мРНК............................................................................................ 414
16.5.2. Репрессия путем стабилизации структурного барьера на пути
сканирующего рибосомного комплекса........................................................... 416
16.6. Маскирование мРНК.................................................................................................... 416
16.6.1. Маскированные мРНК в ооцитах и сперматоцитах....................................... 417
16.6.2. Демаскирование мРНК в раннем эмбриогенезе............................................. 419
16.6.2.1. Ранний эмбриогенез лягушки.................................................................... 419
16.6.2.2. Ранний эмбриогенез мухи.........................................................................421
16.6.3. Маскирование и демаскирование мРНК в процессе клеточной
дифференцировки..............................................................................................424
16.6.4. Участие микроРНК в маскировании мРНК....................................................425
16.6.5. Гипотетическая модель маскирования мРНК.................................................428
16.7. Эволюция основных механизмов регуляции трансляции..........................................430
Литература к главе 16............................................................................................................ 431
Глава 17. Котрансляционное сворачивание и трансмембранный транспорт
белков.............................................................................................................................434
17.1. Вклад рибосомы в сворачивание белков......................................................................434
17.1.1. Стартовая конформация в пептидилтрансферазном центре...........................434
17.1.2. Котрансляционное сворачивание растущего полипептида
на рибосоме........................................................................................................434
17.1.3. Туннель внутри рибосомы или желоб на ее поверхности для растущего
полипептида?......................................................................................................437
17.1.4. Молекулярные шапероны, взаимодействующие с растущей
полипептидной цепью на рибосоме.................................................................439
17.1.5. Синтез белков мембраносвязанными рибосомами..........................................441
17.2. Взаимодействие транслирующих рибосом с мембранами..........................................443
17.2.1. Ранние наблюдения............................................................................................443
17.2.2. Первичные взаимодействия растущего пептида..............................................443
17.2.3. Сигнальные аминокислотные последовательности........................................ 444
495
17.2.4. Взаимодействие транслирующей рибосомы, содержащей растущую цепь,
с SRP...................................................................................................................447
17.2.5. Взаимодействие комплекса рибосома/растущая цепь/SRP с рецептором
SRP на мембране................................................................................................449
17.3. Котрансляционная трансмембранная транслокация растущих полипептидных
цепей....................................................................................................................................... 451
17.3.1. Трансмембранный пептидпроводящий канал.................................................. 451
17.3.2. Транспорт растущего полипептида через трансмембранный канал..............453
17.3.3. Встраивание растущей полипептидной цепи в мембрану..............................455
17.4. Котрансляционные ковалентные модификации и сворачивание растущей
полипептидной цепи в просвете эндоплазматического ретикулума..................................457
17.5. Альтернативные пути трансмембранного транспорта новосинтезированных
белков.....................................................................................................................................458
Литература к главе 17.............................................................................................................460
Глава 18. Заключение. Принципы структуры и функции рибосом....................463
18.1. Основные принципы структуры рибосомы.................................................................463
18.1.1. Подразделение на две неравные субчастицы...................................................463
18.1.2. Самоукладка рибосомной РНК в компактную структуру...............................463
18.1.3. Сборка рибосомных белков на компактной РНК...........................................464
18.2. Основные принципы функционирования рибосомы.................................................465
18.2.1. Структурные карманы для функциональных центров....................................465
18.2.2. Разделение функций между рибосомными субъединицами...........................466
18.2.2.1. Генетическая функция малой субъединицы.............................................466
18.2.2.2. Каталитическая функция большой субъединицы....................................467
18.3. Рибосома как молекулярная машина...........................................................................468
18.3.1. Определения.......................................................................................................468
18.3.2. Крупноблочная подвижность...........................................................................469
18.3.2.1. Подвижность структурных блоков малой рибосомной
субъединицы...............................................................................................470
18.3.2.2. Подвижность структурных блоков большой рибосомной
субъединицы............................................................................................... 471
18.3.2.3. Взаимная подвижность рибосомных субъединиц.................................... 472
18.3.3. Концепция смыкания-размыкания: «открытые» (релаксированные)
и «закрытые» (фиксированные) конформации................................................ 474
18.3.4. Переходные конформационные состояния и ГТФ-зависимый катализ
конформационных переходов...........................................................................477
18.3.5. Рибосома как изотермическая тепловая машина с конформационным
«храповиком» и химической «собачкой»..........................................................479
18.3.5.1. Особенности молекулярных машин..........................................................479
18.3.5.2. Двигатель рибосомы как молекулярной машины....................................480
18.3.5.3. Дополнительные двигатели полного элонгационного цикла..................483
18.3.5.4. Трансмиссия и движитель молекулярной машины.................................483
18.3.5.5. «Храповик» и «собачка».............................................................................486
Литература к главе 18............................................................................................................486