Биофизика познает рак

Наиболее распространенное мнение о механизме работы рибосомы предполагает, что рибосома, состоящая из двух неравных субчастиц, ползет по матричной РНК от 5'-конца к 3'-концу, считывает информацию об аминокислотной последовательности и присоединяет соответствующие аминокислоты в полипептидную цепь. При этом малая субчастица рибосомы осуществляет контакт с мРНК. Полипептидная цепь собирается на особых центрах большой субчастицы. При этом механизм сборки полипептида, динамика процесса остаются неясными.

А. С. Спирин и Л. П. Гаврилова предложили свою схему строения рибосомы, которая лучше соответствует наблюдаемым фактам, вскрывает движущие силы и механизм работы рибосомы. В основу положено разделение функций между субчастицами: большой отведена роль полимерного носителя, удерживающего последовательно наращиваемый пептид, а малой субчастице — роль «подносчика» аминокислот. Обе субчастицы соединены подвижным шарниром и связаны с одной и той же матрицей. Выделен рабочий цикл рибосомы, состоящий из пяти «шагов». Сначала «подносчик» связывается с мРНК, отодвигается от носителя (рибосома открывается) и вылавливает из цитоплазмы аминоацилтранспортную РНК, соответствующую очередному кодону матрицы. Пока рибосома открыта, совершается перебор соответствия кодонов антикодонам и, следовательно, правильного выбора очередной аминокислоты. Когда аминокислота выбрана, рибосома закрывается и приводит аатРНК в контакт с наращиваемым полипептидом и очередная аминокислота (точнее, ее остаток) занимает свое место в цепи, а освобожденная тРНК уходит в цитоплазму и находит себе новую молекулу этой же аминокислоты. Периодическое размыкание и смыкание рибосомальных субчастиц является приводным механизмом, обеспечивающим все перемещения тРНК, мРНК и аминокислот в процессе синтеза пептидной цепи.

Каждому кодону мРНК соответствует антикодон на аатРНК. Каждый кодон состоит из триплета нуклеотидов (разные сочетания урацила, аденина, цитозина и гуанина). Каждая из 20 аминокислот имеет характерные только для нее кодоны (табл. 3). Например, тирозин кодируется следующими кодонами: УАУ (урацил—аденин—урацил) и УАЦ (урацил—аденин—цитозин). Метионин кодируется одним кодоном, в то время как ряд других аминокислот — большим числом, например шестью кодонами (лейцин, серин, аргинин). Для каждой аминокислоты все кодирующие ее кодоны равнозначны.

Рибосомальный синтез белка оказался чрезвычайно устойчивым к непосредственному действию радиации. Однако его интенсивность очень чувствительна к регуляторным влияниям организма.

В соответствии с предложенным А. С. Спириным механизмом работы рибосомы стали в определенной мере понятны и молекулярные механизмы известных давно ошибок рибосомального синтеза белка, зависящие от самой рибосомы.

Известно, что противобактериальное действие ряда аминоглюкозидных антибиотиков (стрептомицин, канамицин, неомицин и др.) связывается со способностью их вызывать ошибки кодирования рибосомального синтеза белка, и это было показано экспериментально на бесклеточных системах.

В работах А. С. Спирина и его коллег было изучено влияние указанных антибиотиков на цикл работы рибосомы и показано, что все они ускоряли стабилизацию ассоциированных субчастиц рибосомы. Кроме того, установлено, что бивалентные ионы магния, кальция, марганца и ряд некоторых агентов также увеличивали (ускоряли) стабилизацию (т. е. смыкание) субчастиц рибосомы. Так, изменение концентрации магния на 1 мМ существенно (примерно на 10%) изменяло вероятность нахождения рибосомальных субчастиц в связанном состоянии (т. е. в сомкнутом). Наоборот, одновалентные катионы натрия, калия и других уменьшали вероятность нахождения субчастиц рибосомы в сомкнутом состоянии. Увеличение концентрации их в бесклеточной среде примерно на 10 мМ уменьшало долю связанных субчастиц на 10—20%.

Все факторы, которые ускоряли стабилизацию субчастиц рибосомы, способствовали увеличению ошибок кодирования рибосомального синтеза белка. Это было особенно четко показано в экспериментах с бактериальными рибосомами в бесклеточной среде на примере использования полиуридиновой матрицы, кодирующей аминокислоту фенилаланина.

Вместо фенилаланина рибосома в небольшом проценте случаев включала в полипептидную цепь лейцин и изолейцин и значительно реже серин, тирозин и валин. Однако при добавлении в среду, например, стрептомицина и ионов магния ложное кодирование, определявшееся по отношению включенного в полипептидную цепь лейцина к фенилаланину, увеличивалось с 5 до 32%, т. е. в 6 раз. Особенно сильно влияние ионов магния и натрия. Так, по кривым зависимости числа ошибок включения лейцина видно, что изменение концентрации Mg с 1,0 до 2,0 мМ увеличило ошибки более чем в 3 раза (до 17%).