Инал Акоев - Биофизика познает рак

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%).

В терминах модели А. С. Спирина повышенная вероятность сомкнутого состояния рибосомы должна приводить к повышению ложного кодирования. Все факторы, ускоряющие стабилизацию сомкнутого состояния рибосомы, должны увеличивать ошибочное включение аминокислот в пептидную цепь. Среди них изучено влияние ионов магния, кальция, марганца и некоторых других. Противоположным действием обладают ионы натрия, калия и другие одновалентные катионы.

Таблица 3. Аминокислотный код (указаны нуклеотиды кодонов и соответствующие им аминокислоты)

Таблица 4. Принципиально возможные ошибки чтения кодонов, обнаруженные в экспериментах in vitro в бесклеточной среде на синтетических матрицах

Следовательно, изменение ионной среды рибосомы значительно влияет на частоту аминокислотных замен при синтезе белка. Важно также, что сочетание разных ионов может взаимно усиливать или ослаблять это влияние. Кроме ионов, спонтанный уровень ошибок включения аминокислот в пептидную цепь могут изменять сдвиги pH, температура, этанол и другие изменения в среде, окружающей рибосому.

Выяснено, что при таких ошибках в пептидную цепь включаются не случайные аминокислоты, а ближайшие по кодовой специфичности. Так, в экспериментах вместо фенилаланина чаще всего включается на полиуридиновой матрице УУУ лейцин, кодируемый кодонами ЦУУ, УУА, УУГ и др. (табл. 4). Это ошибка в прочтении одного из нуклеотидов. Реже всключались изолейцин (АУУ), серин (УЦУ), тирозин (УАУ) и валин (ГУУ), хотя в этих случаях была также ошибка лишь по одному нуклеотиду. Более частое замещение на лейцин связано с тем, что из всех теоретически возможных однонуклеотидных замен в кодоне УУУ три варианта приходятся на лейцин и по одному варианту на изолейцин, тирозин, валин и цистеин. Остальные аминокислоты могут включаться вместо фенилаланина только в случае замен двух нуклеотидов в кодоне и при нарушении в последовательности их узнавания, что встречается очень редко.