Комментарий «УГ»

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота, обеспечивающая хранение и передачу генетической информации в живых организмах.

РНК - рибонуклеиновая кислота, участвующая в ряде биологических процессов, в частности в синтезе белка.

Кодон - триплет нуклеотидных остатков в ДНК или РНК, кодирующий аминокислоту.

Когда-то в сообщении «Взлом кода жизни», датированном 2001 годом, была проведена интересная аналогия между путем передачи информации в клетке и процессом приготовления пищи...

«Рецепт» приготовления блюда - это код ДНК. Синтезу белка (трансляции) всегда предшествует процесс копирования информации с двунитевой ДНК на однонитевую РНК (транскрипция), осуществляемый специальным ферментом РНК-полимеразой - она прочитывает «рецепт» и отдает его матричной или информационной РНК (мРНК), чтобы та отнесла его на «кухню». мРНК несет важный кусочек кода жизни, кода специфического белка. Она имеет небольшие размеры и очень мобильна, что позволяет ей легко покинуть ядро. Молекулы мРНК переносят инструкции по «приготовлению» белка к определенному месту сборки. Местом синтеза белка являются рибосомы. Рибосомы состоят из особого типа РНК (рибосомной РНК, рРНК) и белков и расположены на мембране эндоплазматического ретикулума в цитоплазме клетки. В процессе синтеза белка рибосомы удерживают аминокислоты в определенном положении. Возвращаясь к аналогии с кухней, можно сказать, что рибосомы являются поварами.

Чтобы начать биосинтез, рибосомы должны присоединиться к матричной РНК. Образующийся комплекс рибосом и мРНК относительно неподвижен. Далее необходимо транспортировать аминокислоты к месту синтеза белка с помощью еще одного типа РНК - транспортной РНК (тРНК). тРНК переводит нуклеотидный код, записанный на матрице мРНК, в инструкции для специфической аминокислоты. Транспортная РНК доставляет аминокислоту к рибосоме, причем для каждой из аминокислот существует определенная молекула тРНК.

Теперь необходимо соединить аминокислоты вместе согласно инструкциям. Это происходит на рибосоме. Когда мРНК поступает в цитоплазму, малая субъединица рибосомы связывается с ней. Ассоциация с рибосомой тРНК, несущей первую аминокислоту (формилметионин), или стартовый кодон, также является сигналом для присоединения к комплексу большой субъединицы рибосомы (инициация трансляции). После образования такого комплекса тРНК стартового кодона располагается в P-центре рибосомы. Следующая тРНК, несущая вторую аминокислоту, связывается с А-центром рибосомального комплекса. Затем между первой и второй аминокислотами образуется пептидная связь, тРНК из Р-центра, содержавшая ранее стартовый кодон, покидает комплекс рибосомы, а тРНК из А-центра, включающая ныне пептид из двух первых аминокислот белка, перемещается в Р-центр. Затем в освободившемся Р-центре происходит связывание тРНК, несущей третью аминокислоту, и процесс повторяется снова. Рибосома постепенно продвигается вдоль мРНК, и количество аминокислотных остатков в полипептидной цепи увеличивается (элонгация трансляции). При прекращении синтеза белка (терминация трансляции), которое кодируется стоп-кодоном, две субъединицы рибосомы расходятся.

Таким образом, «рецепт» прочитан, и успешно приготовлено «блюдо» - белок (в виде его первичной структуры). (См. фото 1.)

Эта тема входит в состав обязательной школьной программы по биологии. Однако множество деталей синтеза белков из аминокислот выяснилось совсем недавно - только после установления структуры рибосом.

Рибосомы впервые были описаны в 50-х годах прошлого века. Они выглядят как небольшие плотные гранулы, рассеянные по всей цитоплазме клетки. Их очень много - несколько десятков тысяч, каждая длиной порядка 25 нм (нано - одна миллиардная доля), эти структуры могут составлять до 30% сухой массы цитоплазмы. Такое их обилие сразу же позволило предположить, что рибосомы выполняют в клетке весьма важную функцию.

Сам термин «рибосома» был предложен в 1958 году Р.Робертсом. Функцию рибосом в организме впервые установили Клод, Палладе и Де Дюв, которые в 1974 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки». Позднее в лабораториях Дж. Уотсона, А.С.Спирина и М.Номуры были установлены принципы структурной организации рибосом.

Вскоре было высказано предположение об участии рибосом в синтезе белка. На сегодня известно, что на основе генетических данных рибосомы синтезируют необходимые клетке белки, т.е. биохимическую основу жизни: переносящий кислород гемоглобин, гормоны, антитела иммунной системы и многие-многие другие. Но как именно эти маленькие молекулярные машинки собирают полипептидные цепи, до некоторых пор оставалось загадкой - не хватало данных об устройстве этих структур.

К началу 80-х годов биологам было известно, что рибосомы состоят из двух субъединиц - большой и малой - и их функции различны. Кроме того, ученые выяснили, что рибосомы прокариот и эукариот различаются по локализации и строению.

Тем не менее детальные характеристики структуры рибосом невозможно было установить даже методом электронной микроскопии - из-за ассимметрии рибосом и их огромной молекулярной массы. К счастью, в химии появился метод рентгеновской кристаллографии, способный выявлять тонкие особенности биологических систем.

В качестве одного из ведущих мировых специалистов в данной области называют Харри Ноллера. Именно он первым получил данные рентгеноструктурного анализа рибосомы, правда, невысокого качества, а также объяснил работу рибосом. Пионером исследований структуры и функции рибосом считается израильтянка Ада Йонат, которая в 1980 году сумела закристаллизовать большую субъединицу рибосомы термофильной бактерии Geobaciiius stearothermophilis. Позже группе Томаса Стейтца (США, 2000 год) удалось определить строение большой субъединицы рибосомы с высоким разрешением. А строение малой субчастицы открыл британец индийского происхождения Венкатраман Рамакришнан, кроме того, он выделил в рибосоме структуру, отвечающую за правильность считываемой с мРНК информации. Благодаря такому механизму частота допускаемых рибосомой ошибок при синтезе белка чрезвычайно низка (1 ошибка на 100 тысяч связываемых в полипептидную цепь аминокислот).

Трое последних ученых стали лауреатами Нобелевской премии по химии 2009 года (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/index.html).

Конечно, правомерно спросить: почему же в номинации по химии выступают по сути дела биологи? Открытия совершаются на стыке дисциплин - уж такова особенность ХХI века с его приоритетом наук о живом. Впрочем, Нобелевский комитет в официальном пресс-релизе мотивировал выбор номинации так: «Рибосома катализирует два этапа химической реакции - образование ковалентных связей при формировании пептидных цепочек и гидролиз эфирных связей при терминации (прекращении) белкового синтеза».

На сегодня, таким образом, известно, что рибосома состоит из двух субчастиц - малой и большой. Они оправдывают свои названия - малая состоит из одной молекулы РНК и 30-40 молекул белка, большая включает 3 типа РНК и 40-50 белков. Их функции различны. Все операции с мРНК в начале биосинтеза осуществляет малая субъединица, большая присоединяется к ней фактически только, когда подготавливается образование первой пептидной связи. Такое «разделение труда» абсолютно правомерно, ведь малая частица отвечает за прием генетической информации, и только она связывается с мРНК; большая же выступает как фермент, ответственный за образование пептидных связей и за синтез полипептидной цепи в целом. Кроме того, по мнению авторов статьи «Происхождение и эволюция рибосомы», большая субъединица эволюционно более старая, а малая является более поздним дополнением к ней (T.F. Smith, J.C. Lee, R.R. Gutell, H. Hartman. Biology Direct, 2008, 3, 16; http://www.biology-direct.com/content/3/1/16). (См. фото 2.)

В целом рибосому можно назвать сложнейшей белоксинтезирующей системой с генетической (декодирует), каталитической (фермент пептидилтрансфераза) и механической (молекулярная машина) функциями. Помимо того она является рибозимом, то есть ее каталитическая активность при синтезе полипептидных цепей определяется не белком, а молекулой РНК.

Какова же практическая значимость столь высоко оцененного открытия помимо расширения области фундаментального знания?

Синтез белков - ключевой процесс, необходимый для жизнедеятельности клетки. Если его каким-либо образом выключить, клетка погибнет. Строение рибосом безъядерных бактерий и эукариот различно, а значит, ученые могут создавать лекарства, прекращающие синтез белка селективно в клетках бактерий. В настоящее время 50% антибиотиков действуют именно на бактериальные рибосомы (тетрациклин, эритромицин, стрептомицин, неомицин и др.). Решение структуры рибосомы позволяет разобраться в механизме работы антибиотиков, которые угнетают жизнедеятельность бактерий на уровне процесса синтеза белка. Знание устройства центров связывания антибиотиков на рибосоме позволяет с помощью компьютерных программ моделировать структуры более совершенных препаратов, чем занимаются многие исследователи начиная с 1999-2000 годов. И хотя проблема использования антибиотиков заключается в приобретении бактериальными клетками устойчивости (антибиотикорезистентности) при длительном использовании препарата, прогрессивное открытие структуры рибосом позволяет создавать принципиально новые лекарства, которым нет аналогов (в США созданный таким образом антибиотик проходит последнюю стадию клинических испытаний).

В будущем можно будет создавать рибосомы с заданными свойствами и синтезировать нужные человечеству и отдельному индивидууму белки «в пробирке».

Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук

P.S.

По материалам сайтов:

http://chemport.ru - портал для химиков

http://nobelprize.org - англоязычный сайт Нобелевского комитета

http://www.weizmann.ac.il/sb/faculty_pages/Yonath/home.html - англоязычный сайт А.Йонат

http://www.mbb.yale.edu/faculty/pages/steitzt.html - сайт Томаса Стейтца на английском языке

http://www.mrc-lmb.cam.ac.uk/ribo/homepage/ramak/index.html - англоязычный сайт В.Рамакришнана