Структура тРНК

Молекули тРНК містять 74 – 95 (найчастіше 76) нуклеотидів, серед яких зустрічаються неканонічні (утворюються внаслідок посттранскрипційних модифікацій) – тимідин, інозин (І), дигідроуридин (D), псевдоуридин (ψ) тощо.

У складі молекули формуються комплементарні дволанцюгові стебла та шпильки за єдиною для всіх тРНК схемою, що нагадує лист конюшини (рис. 1). Кінцеві фрагменти ланцюга об’єднуються у дволанцюгове стебло, причому чотири нуклеотиди на 3′-кінці залишаються неспареними. 3′-кінцевий триплет ССА є стандартним для всіх тРНК, до рибози кінцевого аденозину ковалентно приєднується амінокислота: відповідно, стебло називають акцепторним. 5′-кінцева частина акцепторного стебла переходить у шпильку з петлею, яка часто містить дигідроуридин – D-стебло і D-петля. У деяких тРНК D-петля може містити на один нуклеотид менше або на один–три нуклеотиди більше відносно типового розміру петлі, зображеного на рис. 1. D-стебло переходить у стебло з петлею, у складі якої розташований антикодоновий триплет (у позиції 34 – 36), – антикодонове стебло / антикодонова петля. За антикодоновим стеблом розташована варіабельна петля (V-петля). За розміром V-петлі всі тРНК можна поділити на два структурні класи: до першого належить більшість тРНК із короткою петлею (3 – 5 нуклеотидів), до другого – кілька тРНК із довгою (до 16 додаткових нуклеотидів) петлею. Нумерація нуклеотидів на рис. 1 є стандартною, додаткові нуклеотиди D- та V-петлі, якщо вони присутні, нумерують окремо. За варіабельною петлею міститься ТψС-стебло з петлею (у складі петлі часто зустрічається консенсус – ТψС), яке переходить у 3′-кінцеву частину акцепторного стебла.

тРНК конкретного типу, котра відповідає певній амінокислоті, позначають індексом, наприклад, тРНК_Ala. Якщо в молекулі тРНК є амінокислота, то таку аміноацильовану тРНК позначають як Ala-тРНК_Ala. Загальне позначення для аміноацильованих тРНК – аа-тРНК (aa-tRNA ––aminoacyl tRNA).

Еукаріотичні гени тРНК (близько 500 активних генів тРНК у геномі людини, частина яких зібрана в кластери) транскрибуються РНК-полімеразою ІІІ. Продуктом транскрипції генів є довші молекули попередники, деякі містять інтрон у межах майбутньої антикодонової петлі. Процесинг цих попередників з утворенням зрілих тРНК полягає у відщепленні певними нуклеазами зайвих фрагментів на кінцях, сплайсингу інтрона (здійснюється специфічними ендонуклеазами талігазою), приєднанні до 3′-кінця стандартного триплету ССА (у складі прокаріотичних тРНК-попередників цей триплет уже присутній), хімічній модифікації певних азотистих основ. Прокаріотичні гени тРНК (87 у геномі E. coli, не містять інтронів) або транскрибуються окремо (як у еукаріотів), або є частинами оперонів, і в цьому випадку первинний транскрипт містить кілька майбутніх молекул тРНК. Крім того, деякі прокаріотичні гени тРНК знаходяться у складі оперона генів рибосомної РНК. В усіх випадках тРНК вирізаються з попередників нуклеазами, після чого піддаються хімічним модифікаціям. Одна з нуклеаз, котра бере участь у процесингу тРНК у про- та еукаріотів, – РНК-аза Р – варта особливої уваги. Фермент складається з двох субодиниць, одна з яких є білковою, а друга – молекулою РНК зі складною просторовою структурою. Саме ця РНК-субодиниця має каталітичну активність, тобто РНК-аза Р – рибозим.

Рис. 1. Схема спарювання нуклеотидів у складі аланінової тРНК.

Схема лист конюшини (рис. 1) не дає уяви щодо просторової структури тРНК. Насправді акцепторне та ТψС-стебло, переходячи одне в одне, утворюють єдину майже пряму подвійну спіраль (рис. 2), під приблизно прямим кутом до якої розташована друга подвійна спіраль, сформована D- і антикодоновим стеблом. ТψС- і D-петлі при цьому наближаються одна до одної, між ними реалізується комплементарне спарювання основ. У результаті молекула тРНК має Г-подібну (або L-подібну) форму з двома плечами різної довжини: на кінці одного плеча акцептується амінокислота (акцепторне плече), на кінці іншого розташований антикодон (антикодонове плече).

У складі дволанцюгових спіральних зон тРНК міститься ~55 % нуклеотидів, але ~90 % основ залучено до стекінг-взаємодій. Отже, молекула характеризується високою впорядкованістю, жорсткістю своєї структури. Це стосується також і петель, серед яких лише антикодонова петля не залучена до взаємодій з іншими елементами. Але п’ять основ петлі (включаючи антикодон) утворюють досить жорстку стопку. Додатково структура тРНК стабілізується іонами Mg²⁺, тільки у присутності яких молекула є функціонально активною.

Рис. 2. Схема і просторова структура тРНК (тРНК_Phe, 6TNA).

Елементи структури пофарбовані однаково ліворуч і праворуч.

Загальна кількість типів тРНК, які обслуговують процес білкового синтезу, є близькою до 40 (наприклад, усі гени тРНК людини можна поділити на 49 родин за властивостями антикодонів). Оскільки типів тРНК більше, ніж амінокислот, одній амінокислоті може відповідати кілька тРНК – такі тРНК називають ізоакцепторними. Серед них є такі, що містять різні (але, звичайно, синонімічні) антикодони, – гетерокодонові. Є також гомокодонові тРНК, які можуть бути продуктами різних генів (розрізняються за послідовністю нуклеотидів), а можуть бути продуктами одного гена, розрізняючись модифікаціями основ. Оскільки типів тРНК менше, ніж кодонів, одна тРНК здатна впізнавати кілька синонімічних кодонів, що забезпечується неоднозначністю спарювання між першою позицією антикодона і третьою (за якою, головним чином, розрізняються синонімічні кодони) – кодона. А саме, U і G здатні впізнавати по два нуклеотиди у третій позиції кодона, I (який досить часто зустрічається в першій позиції антикодона) упізнає три нуклеотиди (табл. 1).

Таблиця 1.