Доктор хімічних наук Петро Сергій, Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова.
В цьому році Нобелівська премія з хімії присуджена американцеві Тому Стайцу з Єльського університету, британському вченому Венкатраману Рамакрішнану з лабораторії молекулярної біології в Кембриджі і професору Інституту Вейцмана (Ізраїль) Аді Йонат. Ці дослідники визначили структуру рибосоми.
Клітка містить десятки тисяч рибосом розміром близько 25 нм. Деякі з них прикріплені до мембран ендоплазматичної мережі, інші - локалізовані в цитоплазмі.
Для кристалографії рибосом використовується рентгенівське синхротронне випромінювання.
Атомарна структура бактеріальної рибосоми. Молекули Хвороби пофарбовані в оранжевий колір, білки малої субчастіци - в блакитний, білки великий субчастіци - в зелений.
Робота рибосоми відбувається в кілька стадій: зв'язування аміноацил-тРНК, перенесення пептиду з пептидил-тРНК на аміноацил-тРНК, транслокація (переміщення мРНК на один кодон і тРНК з А-ділянки в Р-ділянка), догляд «порожній» тРНК.
Що таке рибосома і як вона працює? Навіщо потрібно її вивчати і, зокрема, чому було так важливо визначити структуру цього величезного макромолекулярної комплексу? Як можна використовувати отримані знання на практиці? Постараємося відповісти на ці питання.
Нуклеотидном І АМІНОКИСЛОТНИЙ «алфавіту»
Напевно, всі чули, що інформація про те, як побудувати організм, зберігається в ДНК - своєрідної «бібліотеці» живої клітини. Білки - це головні молекулярні «працівники» в клітці: вони здійснюють перетворення речовин і енергії, відповідають за рух клітини, утворюють її «скелет», беруть участь у передачі спадкової інформації, виконують безліч інших функцій. Для своєї життєдіяльності в кожен момент часу клітина використовує лише невелику частину генетичної інформації. «Поточні вказівки» копіюються з окремих ділянок ДНК у вигляді коротких «повідомлень» - молекул мРНК (матричної РНК).
Рибосома - невелике внутрішньоклітинний утворення неправильної форми, складене з двох нерівних «половинок». Вона виконує дуже важливу функцію: «читає» мРНК-повідомлення, а потім по цим «повідомленнями» синтезує білкові молекули. Такий процес називається трансляцією. Завдання, що стоїть перед рибосомою, дуже складна. Адже білки складаються не з нуклеотидів, а з принципово інших будівельних блоків - амінокислот. Причому нуклеотидів всього чотири, а амінокислот - двадцять.
Як же інформація, що міститься в чотирьох нуклеотидах, перетворюється в амінокислотний код? Справа в тому, що кожна амінокислота зашифровані трьома «буквами» - нуклеотидами. З чотирьох букв нуклеотидного алфавіту можна скласти 64 трибуквених «слова» - кодону. Кожному кодону відповідає своя специфічна амінокислота. Оскільки кодонів (64) більше, ніж амінокислот (20), деякі амінокислоти кодуються кількома кодонами. За розшифровку генетичного коду Маршаллу Ніренбергу, Гобіндом Корані і Роберту Холлі була присуджена Нобелівська премія з медицини 1968 року.
ТРАНСЛЯЦІЯ В рибосоми
За якими ознаками рибосома дізнається кодони, як вона «пам'ятає», якого кодону яка амінокислота відповідає? Як це не парадоксально, рибосома сама нічого не «знає» і не «пам'ятає». У клітці є спеціальні невеликі молекули РНК, які називаються транспортними або тРНК, які переносять «на собі» амінокислоти і розпізнають відповідний цій амінокислоті кодон на молекулі мРНК. Кожна тРНК переносить тільки «свою» амінокислоту. Ідея про те, що тРНК можуть бути своєрідним «адаптером» між кодоном і амінокислотою, була запропонована в п'ятдесяті роки американським вченим, майбутнім нобелівським лауреатом Френсісом Криком.
Трансляція генетичної інформації в рибосомі відбувається так. Спеціальні ферменти міцної хімічним зв'язком «пришивають» до молекули тРНК відповідну амінокислоту. При цьому тРНК згортається в структуру, схожу на рогалик або на букву Г. На кінцях такого «рогалики» знаходяться амінокислота і так званий антикодон. Антикодон розпізнає відповідний кодон в мРНК, таким чином надаючи амінокислоту до місця «збирання» білкової молекули.
По суті, тРНК служать клітинними «перекладачами» з нуклеотидного «мови» на амінокислотний. Робота рибосоми зводиться до того, щоб підібрати молекулу тРНК, що відповідає тій амінокислоті, яка необхідна для побудови білкової ланцюжка в даний момент. Цей процес зчитування інформації називається декодуванням. Його здійснює менша з двох нерівних субчастиц, з яких складається рибосома. На більшій субчастиц відбувається зшивання амінокислот в ланцюжок - нову білкову молекулу.
ЯК ВЛАШТОВАНА рибосоми. ПОЧАТОК ШЛЯХУ
Як рибосома справляється з таким величезним числом взаємодіючих молекул і як влаштований цей молекулярний «завод»? З хімічної точки зору рибосома є сумішшю РНК і білків. Вона складається з трьох різновидів молекул РНК, з Хвороби пов'язані численні рибосомні білки. У бактерій до складу малої субчастіци входить 21 унікальний білок, а великий - 33. Загальна маса рибосоми вимірюється мегадальтонамі. На відміну від порівнянних по масі вірусних частинок рибосома не має ніяких елементів симетрії, що надзвичайно ускладнює вивчення її структури.
Дослідити пристрій рибосоми вчені почали давно. Спочатку для цього використовували метод електронної мікроскопії, який в СРСР успішно застосовували член-кореспондент РАН Микола Андрійович Кисельов (завідувач лабораторією Інституту кристалографії ім.
В. А. Шубнікова РАН) і професор Віктор Дмитрович Васильєв (Інститут білка РАН). В даний час використовується вдосконалена методика, що отримала назву Кріоелектронний мікроскопії. За допомогою цього методу в кінці 90-х років ХХ століття дві провідні лабораторії - Марина Ван Хілла в Англії і йохима Франка в США - подолали рубіж роздільної здатності 20 ангстрем. Зараз дозвіл Кріоелектронний мікроскопії наближається до 5-7 Ангстрема. Стало можливим «побачити» спіралі РНК і окремі домени білків, але все ж цього недостатньо, щоб зрозуміти деталі будови рибосоми.
Одночасно проводилися хімічні дослідження структури рибосоми. Так, в лабораторії академіка Олексія Олексійовича Богданова, в групі професора Ольги Анатоліївни Донцової (хімічний факультет МГУ), за допомогою хімічних зшивок було точно визначено оточення молекул мРНК в рибосомі. У Німеччині Річард Брімакомб (Інститут молекулярної генетики ім. Макса Планка), зіставляючи результати Кріоелектронний мікроскопії та хімічного зшивання, створив модель структури рибосоми, як виявилося в подальшому, досить точну.
НОБЕЛЕВСКАЯ ГОНКА ЗА СТРУКТУРОЮ
НАВІЩО ПОТРІБНО ЗНАТИ СТРУКТУРУ рибосоми
Що ж, структуру рибосоми було визначити складно. Інше питання - чи був в цьому якийсь сенс. Безперечно, структура рибосоми не просто збагатила наше розуміння взаємодії РНК і білків, вона підняла це розуміння на принципово новий рівень. Підтвердилося те, про що вчені здогадувалися вже давно: в рибосомі не тільки структурну, а й усі інші основні функції виконує РНК. Чому це цікаво? Це доводить те, що рибосома прийшла до нас з добелкового, так званого РНК-світу.
Довгий час вченим було незрозуміло, в якій послідовності виникли механізми передачі спадкової інформації в живій клітині. ДНК не може копіювати сама себе, для цього їй потрібні білкові молекули. У свою чергу, для синтезу білків потрібно кодує їх РНК, прочитується з ДНК також за допомогою білків. В результаті всі три основні біомолекули виявляються пов'язаними між собою причинно-наслідковими зв'язками.
Ідея РНК-світу полягає в тому, що, до того як виникли білки і пізніше ДНК, і каталітичні функції, і функції зберігання спадкової інформації виконували молекули РНК. Зараз завдяки відкриттю нових нобелівських лауреатів стало остаточно ясно, що рибосома прийшла до нас з РНК-світу. Власне, її виникнення і ознаменувало початок білкового світу, адже рибосома - це побудована на основі РНК машина для виробництва білків.
Визначення структури рибосоми з атомарним дозволом - це безумовний прорив в галузі фундаментальної науки, а також унікальна можливість конструювати і створювати нові лікарські препарати. Можна ще раз захопитися цим досягненням нобелівських лауреатів і побажати їм подальших відкриттів.
РОБОТА рибосоми: ВІД ТРАНСЛЯЦІЇ ДО транслокації
Механізм трансляції досить складний. Якщо коротко, в процесі роботи рибосоми тРНК проходить по щілини між двома рибосомні субчастиц, послідовно потрапляючи в три тРНК-зв'язуючих «кишені». У першому «кишені» (А-ділянка) зв'язується комплекс тРНК і амінокислоти (аміноацил-тРНК), у другому «кишені» (Р-ділянка) знаходиться тРНК, яка прийшла на рибосому при зчитуванні попереднього кодону (пептидил-тРНК). З цієї тРНК пов'язана не тільки «своя» амінокислота, але і вся білкова молекула, синтезована на даний момент. Власне процес зшивання ланцюжка амінокислот полягає в перенесенні зростаючого пептиду з цієї тРНК на тільки що прибулу в перший «кишеню» комплексу тРНК з амінокислотою. При цьому новоприбула тРНК приєднує до себе весь синтезований рибосомою білок. Та тРНК, яка несла білкову молекулу, стає «порожній».