Aminoacil-tRNS un olbaltumvielu sintēze

Neskatoties uz nelielo izmēru, tRNS ir precīzi sakārtota molekula, un katrai tās daļai ir savs uzdevums.

• Pieņēmējstublājs: divas savstarpēji sapārotas galu virknes, kuras beidzas ar nemainīgu citozīna, citozīna un adenīna asti; tieši pie adenīna piesaistās aminoskābe.
• Antikodona cilpa: satur trīs nukleotīdus, kas pāro ar informācijas RNS kodonu.
• Divas sānu cilpas ar neparastiem, ķīmiski pārveidotiem nukleotīdiem, kas notur molekulas telpisko formu.
• Mainīgā cilpa, kuras garums dažādām tRNS atšķiras un palīdz fermentam tās atšķirt.
• Pārveidotie nukleotīdi antikodona pirmajā pozīcijā, kas ļauj vienai tRNS atpazīt vairākus radniecīgus kodonus.

Aminoskābes pievienošanu veic ferments ar nosaukumu aminoacil-tRNS sintetāze. Katrai aminoskābei ir savs ferments, kas atpazīst gan pareizo aminoskābi, gan pareizo tRNS, un šī dubultā atpazīšana ir viena no visprecīzākajām šūnā.

1. Ferments saista aminoskābi un adenozīntrifosfātu un izveido starpproduktu, atbrīvojot pirofosfātu.
2. Starpprodukts paliek piesaistīts fermentam un ir enerģijas ziņā bagāts, tāpēc turpmākā reakcija notiek viegli.
3. Ferments pievieno aminoskābi tRNS pieņēmējgala adenīna cukura hidroksilgrupai.
4. Daudziem šiem fermentiem ir atsevišķa labošanas kabata, kurā kļūdaini pievienota, izmēra ziņā līdzīga aminoskābe tiek nošķelta.
5. Gatavo aminoacil-tRNS pārņem īpašs pagarināšanas faktors un aizgādā uz ribosomu.

Ribosomā ir trīs vietas, pa kurām tRNS pārvietojas noteiktā secībā. Tieši šī secība veido olbaltumvielas pagarināšanās ciklu.

Precizitāti nodrošina vairākas neatkarīgas pārbaudes. Sintetāžu fermenti atlasa aminoskābi pēc izmēra un ķīmiskajām īpašībām, un tiem, kuriem ir viegli sajaukt divas līdzīgas aminoskābes, ir papildu labošanas kabata, kas nepareizo nogriež.

Ribosomā notiek otra pārbaude. Pareizs kodona un antikodona savienojums izraisa nelielu ribosomas formas izmaiņu, kas atļauj procesam turpināties; nepareizs savienojums šo izmaiņu nerada, un molekula tiek atgrūsta. Papildus ir laika nobīde, kas dod kļūdainai molekulai iespēju atdalīties, pirms notiek neatgriezeniskais solis.

Interesanti, ka pati peptīdu saites veidošana nav fermenta olbaltumvielas darbs. To veic ribosomas lielās apakšvienības ribonukleīnskābe, tātad ribosoma ir ribozīms. Tas ir viens no spēcīgākajiem argumentiem par labu uzskatam, ka senajā dzīvības attīstības posmā galveno darbu darīja RNS, nevis olbaltumvielas.

Precizitātei ir arī cena: katra pievienotā aminoskābe patērē vairākas augstas enerģijas saites. Tieši tāpēc olbaltumvielu sintēze ir viens no lielākajiem enerģijas patērētājiem šūnā.

Ne visas tRNS strādā pēc vienkāršās shēmas. Pirmā aminoskābe jaunā ķēdē vienmēr ir metionīns, un tam ir sava atsevišķa sākuma tRNS, kas atšķiras no tās, kuru izmanto metionīna iekļaušanai ķēdes vidū. Baktērijās un cilvēka mitohondrijos šī pirmā aminoskābe turklāt ir ķīmiski pārveidota.

Ir arī divdesmit pirmā aminoskābe, selenocisteīns. Tai nav sava parastā kodona: to iekļauj, īpašos apstākļos nolasot vienu no apstāšanās kodoniem citādi, ar īpašas tRNS un papildu signāla palīdzību informācijas RNS molekulā. Selenocisteīnu satur vairāki svarīgi fermenti, tostarp vairogdziedzera hormonu pārveidē iesaistītie.

Mitohondrijiem ir pilnīgi savs olbaltumvielu sintēzes aparāts ar savām tRNS un nedaudz atšķirīgu ģenētisko kodu. Šis aparāts pēc savas uzbūves ir tuvāks baktēriju nekā šūnas galvenajam aparātam, kas saskan ar priekšstatu par mitohondriju bakteriālo izcelsmi.

Tieši šī līdzība izskaidro arī daļu no antibakteriālo zāļu blakusparādībām: zāles, kas bojā baktēriju ribosomu, noteiktos apstākļos var ietekmēt arī cilvēka mitohondriju olbaltumvielu sintēzi.

Olbaltumvielu sintēze ir viens no biežākajiem zāļu mērķiem, jo baktēriju un cilvēka aparāts atšķiras pietiekami, lai vienu varētu nomākt, otru daudz mazāk skarot.

Tetraciklīni neļauj aminoacil-tRNS iekļūt ribosomas A vietā, aminoglikozīdi izjauc kodona un antikodona atbilstības pārbaudi, un baktērijā veidojas kļūdaini olbaltumi. Ārīgi lietojamais mupirocīns bloķē baktērijas izoleicīna sintetāzi, bet viens no pretsēnīšu līdzekļiem nagu infekcijai iedarbojas uz sēnītes leicīna sintetāzes labošanas kabatu.

Cilvēka paša sintetāzes var kļūt par imūnsistēmas mērķi. Antisintetāzes sindroma gadījumā organisms veido antivielas pret kādu no šiem fermentiem, visbiežāk pret histidīna sintetāzi, un rodas muskuļu iekaisums, plaušu intersticiāla slimība, locītavu sāpes, Reino parādība un raksturīgas plaisas pirkstu ādā. Šos pacientus ārstē reimatologs kopā ar pulmonologu.

Atsevišķa grupa ir iedzimtas slimības. Mitohondriju tRNS gēnu pārmaiņas izraisa sindromus ar insultiem līdzīgām epizodēm, epilepsiju, muskuļu vājumu un dzirdes zudumu, bet citoplazmas sintetāžu gēnu pārmaiņas ir viens no iedzimtu perifēro neiropātiju cēloņiem. Ar tām nodarbojas ģenētiķis kopā ar neirologu.

• Tetraciklīni: bloķē aminoacil-tRNS pieņemšanu ribosomas A vietā.
• Aminoglikozīdi: izjauc nolasīšanas precizitāti baktērijas ribosomā.
• Mupirocīns: nomāc baktērijas izoleicīna aminoacil-tRNS sintetāzi.
• Antisintetāzes sindroms: antivielas pret paša organisma sintetāzi.
• Mitohondriju tRNS gēnu pārmaiņas: pa mātes līniju pārmantotas daudzu orgānu slimības.

Pacientam pašu aminoacil-tRNS neviens nemēra. Izmeklē sekas, ko rada šīs sistēmas traucējumi, un izmeklējumu izvēle atkarīga no aizdomām.

Ja ir aizdomas par antisintetāzes sindromu, nosaka miozīta antivielu paneli, muskuļu fermentus asinīs, veic plaušu datortomogrāfiju augstas izšķirtspējas režīmā, elpošanas funkcijas testus un dažkārt muskuļa biopsiju.

Ja ir aizdomas par mitohondriju slimību, vērtē laktāta līmeni, veic magnētisko rezonansi, muskuļa biopsiju ar īpašām krāsošanas metodēm un mitohondriju genoma sekvencēšanu. Svarīgi, ka pārmaiņu daļa dažādos audos atšķiras, tāpēc asins paraugs ne vienmēr atspoguļo stāvokli muskuļos.

Laboratorijas pētniecībā tRNS pēta ar sekvencēšanu, masas spektrometriju un metodēm, kas nosaka, cik liela daļa konkrētās tRNS šūnā ir uzlādēta. Tieši šīs metodes pēdējos gados ir parādījušas, ka tRNS daudzums un pārveidojumi ietekmē arī to, cik ātri tiek ražotas dažādas olbaltumvielas.

Biežākā kļūda pat mācību materiālos ir apgalvojums, ka uz tRNS atrodas kodons. Kodons ir informācijas RNS molekulā, bet tRNS nes tam komplementāru antikodonu. Sajaukums rada pilnīgi nepareizu priekšstatu par to, kurš kuru atpazīst.

Otrkārt, tRNS jauc ar informācijas RNS un ribosomālo RNS. Informācijas RNS nes ziņu no gēna, ribosomālā RNS veido ribosomas karkasu un katalizē saites veidošanu, bet tRNS ir adapteris. Visas trīs ir RNS, bet to uzdevumi ir pilnīgi dažādi.

Treškārt, šo tēmu bieži jauc ar informācijas RNS vakcīnām. Tajās izmanto informācijas RNS, kas satur norādījumu vienai olbaltumvielai; šūnas pašas tRNS to nolasa parastajā veidā. Ar tRNS vai ģenētiskā koda maiņu tas nav saistīts, un šūnas DNS netiek skarta.

Ceturtkārt, aminoacil-tRNS jauc ar peptidil-tRNS. Pirmā nes vienu aminoskābi un atrodas A vietā, otrā nes visu līdz šim izveidoto ķēdi un atrodas P vietā. Tieši ķēdes pārnese no otrās uz pirmo ir katrs olbaltumvielas augšanas solis.