В начало...

Принципы структуры рибосом. А. С. СПИРИН. Продолжение

ПРИНЦИП N 3: СБОРКА РАЗНООБРАЗНЫХ БЕЛКОВ НА РНК
Каждая рибосомная субчастица содержит много молекул рибосомных белков, и все они разные (рис. 4). В этом отношении рибосомный рибонуклеопротеид принципиально отличается от вирусного, где белковая оболочка строится из однотипных белков за счет их симметричной слоевой упаковки на поверхности РНК. Самосборка четвертичной структуры - физический механизм реализации симметричной упаковки идентичных белковых молекул в слое, характерной для вирусных нуклеопротеидов. Однако такая белковая самосборка невозможна в случае разнородных белковых молекул, каковыми являются рибосомные белки. Здесь реализуется другой принцип: каждый рибосомный белок имеет свою персональную посадочную площадку на рибосомной РНК - свой "шесток". Белок специфически узнает только этот участок РНК и садится на него. Так, на рибосомной РНК рассаживаются все разнотипные рибосомные белки. На 23S РНК бактериальной рибосомы за счет такого специфического РНК-белкового узнавания рассаживаются 32 различные белковые молекулы, а на 16S РНК - 21 белок.
Уже указывалось, что рибосомная РНК формирует ядро рибосомной субчастицы, а белки в среднем тяготеют к периферии. Однако на периферии оказывается и много участков РНК. В отличие от вирусных нуклеопротеидов белок рибосом не образует оболочки вокруг РНК. Во-первых, в рибосомах белка по массе относительно много меньше, чем в вирусах, и его просто не может хватить, чтобы покрыть всю рибосомную РНК; рибосомная РНК может быть лишь "полуодета". Во-вторых, рибосомные белки, скорее всего, не формируют поверхностных слоев, а организованы в группы - трехмерные кластеры, где часть белков оказывается под другими белками и не экспонирована на поверхности. В-третьих, периферические структурные образования рибосомной РНК могут быть участниками этих кластеров наравне с белками и в некоторых случаях прикрывать белки с поверхности.

Рис. 4. Разделение индивидуальных белков бактериальной (Escherichia coli) 70S рибосомы путем двумерного электрофореза в полиакриламидном геле. Буквой S (small) обозначаются белки малой (30S) субчастицы, а буквой L (large) - большой (50S) субчастицы рибосомы (выполнено Д.Е. Агафоновым, Институт белка РАН, Пущино)

Многочисленные рибосомные белки могут играть двоякую роль в современной рибосоме. С одной стороны, они могут непосредственно участвовать в функциях связывания субстратов и каталитических функциях рибосомы, локализуясь в соответствующих функциональных центрах и обеспечивая их своими активными группами. С другой - рибосомные белки могут служить стабилизаторами или модификаторами определенных локальных структур рибосомной РНК и таким образом поддерживать их в функционально активном состоянии или способствовать их переключениям из одного состояния в другое. В частности, в отношении главной каталитической функции рибосомы - ее пептидил-трансферазной активности, ответственной за образование пептидных связей, имеются все основания полагать, что эта активность обеспечивается локальной структурой рибосомной РНК большой субчастицы, но некоторые рибосомные белки оказываются необходимыми для поддержания (стабилизации) этой структуры.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЦЕНТРОВ РИБОСОМЫ: СТРУКТУРНЫЕ "КАРМАНЫ"
Как связывание субстратов, так и ферментативный катализ на макромолекулах, включая белки и надмолекулярные комплексы, происходят, как правило, не на гладких молекулярных поверхностях, а в углублениях макромолекул, в основаниях выступов, в щелях и полостях между субъединицами или доменами - в так называемых структурных карманах. Очевидно, то же самое должно быть применимо и к рибосоме. Поэтому, рассматривая морфологические особенности рибосомы в сочетании с результатами некоторых прямых экспериментов, можно сделать важные заключения о размещении ее функциональных центров.
Основная морфологическая черта электронно-микроскопических изображений рибосомы - борозда, разделяющая две рибосомные субчастицы (рис. 2, справа). Эта борозда сильно расширяется в одном месте: виден так называемый "глаз" рибосомы. Указанная особенность отражает реальный факт существования значительной полости между двумя рибосомными субчастицами. Как показано самыми последними электронно-микроскопическими исследованиями с высоким разрешением, именно в этой полости размещаются основные субстраты рибосомы - молекулы пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК, участвующие в образовании полипептидной цепи (рис. 5). Это тРНК-связывающий центр рибосомы.
Теперь рассмотрим отдельно малую рибосомную субчастицу (рис. 3, внизу слева). Она разделяется глубокой бороздой на головку и тело. Эта глубокая борозда - шея - есть место, в котором размещается участок связывания мРНК и через которое цепь мРНК протягивается от одного конца к другому в процессе трансляции (рис. 5).
У большой рибосомной субчастицы тоже есть головка - это центральный выступ, среди трех видимых выступов данной субчастицы (рис. 3, вверху слева). В шее (борозде, отделяющей головку от тела) размещается главный каталитический центр рибосомы - пептидил-трансферазный центр, осуществляющий синтез пептидных связей.

Рис. 5. Размещение основных функциональных лигандов - цепи мРНК (обозначена синим цветом) и двух тРНК (зеленые) - в рибосоме. Контуры рибосомы даны в соответствии с последними данными криоэлектронной микроскопии. Полость между субчастицами является главным функциональным карманом рибосомы, здесь размещаются две молекулы тРНК. Молекулы тРНК (аминоацил-тРНК и пептидил-тРНК) связаны с мРНК своими антикодоновыми верхушками и с пептидил-трансферазным центром в основании центрального выступа большой субчастицы - своими акцепторными концами, несущими аминокислотные остатки. В процессе трансляции цепь мРНК сканируется рибосомой от 5'-конца (голова цепи) к 3'-концу (хвост цепи), и тРНК сменяются в зависимости от нуклеотидных комбинаций, находящихся в каждый данный момент на рибосоме. Согласно представленной модели, цепь мРНК движется сквозь рибосому через шею малой субчастицы и выходит в зазор между центральным и левым боковыми выступами большой субчастицы

На рис. 2 (справа внизу) и рис. 5 видно, что две шеи находятся напротив друг друга и что между шеями как раз и расположен "глаз" - межсубчастичная полость, размещающая в себе молекулы двух субстратных тРНК. Так как каждая тРНК в рибосоме одним своим концом - антикодоном - должна взаимодействовать с кодоном мРНК, а другим, акцепторным концом, несущим аминокислоту или пептид, - с пептидил-трансферазным центром, то ее положение в рибосоме в отношении двух рибосомных субчастиц определяется однозначно: антикодон тРНК сидит в шее малой субчастицы, а акцепторный конец - в шее большой субчастицы.
Наконец, важные характерные черты рибосомы - подвижный палочкообразный боковой выступ большой субчастицы, справа от головки на рис. 3 (вверху слева) и рис. 2 (слева), и непокрытая малой субчастицей площадка большой субчастицы у основания выступа (рис. 2, слева). Наблюдения и эксперименты позволяют предполагать следующую картину событий: площадка принимает на себя поступающую в рибосому новую аминоацил-тРНК в комплексе со специальным белком - фактором элонгации 1 (EF1). При этом палочкообразный отросток взаимодействует с фактором и ориентируется более или менее перпендикулярно плоскости раздела между субчастицами. В результате образуется карман между непокрытой площадкой большой субчастицы, боковой поверхностью малой субчастицы и палочкообразным отростком. Этот же карман может принимать другой белок - фактор элонгации 2 (EF2), связывающийся с рибосомой для производства механического акта - транслокации. Третий - левый на рис. 3 (слева вверху) - выступ большой субчастицы и примыкающая к нему лопасть (боковое "ребро"), по-видимому, непосредственно участвуют в ассоциации рибосомных субчастиц. Со стороны малой рибосомной субчастицы в ассоциации субчастиц участвует боковая лопасть ее "тела" (рис. 3, внизу слева).
В следующей статье функциональные активности и принципы функционирования рибосомы будут описаны более подробно.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка. М.: Высш. шк., 1986. 300 с.
2. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978. 700 с.
* * *
Александр Сергеевич Спирин, доктор биологических наук, профессор и зав. кафедрой молекулярной биологии МГУ, директор Института белка РАН, действительный член РАН и член Президиума РАН, действительный член РАЕН, Российской академии биотехнологии и многих международных и зарубежных академий и организаций. Основной круг научных исследований - структура и функция белоксинтезирующего аппарата, регуляция биосинтеза белков, бесклеточные системы биосинтеза белков, котрансляционное сворачивание белков. Автор одного из томов ("Структура рибосомы и биосинтез белка"), трехтомного учебника для вузов "Молекулярная биология", монографии "Рибосома" (два издания) на русском языке и трех монографий, изданных в США и Германии на английском языке, переведенных также на другие языки. Автор около 300 публикаций в российских и международных журналах.