С помощью метода рентгеновской кристаллографии была визуализирована структура рибосом с разрешением на уровне менее 1 нм. Как я уже указывал, в 2009 г. за эту работу была присуждена Нобелевская премия по химии (125).
И прокариотические и эукариотические клетки содержат рибосомы, причем рибосомы эукариот (клетки животных) примерно в два раза больше рибосом прокариот (бактерии). Рибосомы состоят из двух различных субчастиц, каждая из которых построена из рибосомной РНК (рРНК) и многих белков. В присутствии мРНК субчастицы рибосомы объединяются с образованием полной рибосомы, масса которой примерно в 650 раз больше массы молекулы гемоглобина.
Рибосомы и их субчастицы обычно классифицируют не по массам, а в соответствии с коэффициентами седиментации, то есть скорости падения на дно пробирки во время центрифугирования растертой клеточной массы. Скорости осаждения рибосом на дно центрифужной пробирки количественно выражается константой седиментации (разделения "центрифугата"), выражаемой в единицах Сведберга S. Величина s зависит не только от размера частиц, но и от формы и плотности, так что она не пропорциональна размеру. Так коэффициент седиментации (осаждения) полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а коэффициент седиментации ее субчастиц составляет 40S и 60S. Рибосомы бактерий легче. У 70S рибосом величины S для субчастиц равны 50S и 30S.
Основу рибосом составляют молекулы РНК. РНК рибосом принято называть рибосомными и обозначать рРНК. Рибосомальные РНК имеют гораздо больше мест склейки (интерферирования) комплементаных нуклеотидов, чем молекулы тРНК. Длина мест склейки от 4 до 11 а в некоторых случаях и больше комплементарных нуклеотидов. Между местами склейки располагаются часто участки из нескольких некомплементарных нуклеотидов, что ведет к образованию петли, состоящей из двух половинок. Иногда петля из нуклеотидов выступает вбок, делая более длинными участки склейки.
Белки, входящие в состав рибосом, непростые — маленькие, очень древние, крайне консервативные (в геномах древнейших живых организмов — бактерий и архей — гены рибосомных белков по не вполне ясным причинам обычно располагаются рядом, все вместе, в почти одинаковом порядке, образуя так называемый "рибосомный супероперон". Это резко контрастирует с поведением других бактериальных генов, которые могут гулять по хромосоме, как им вздумается). Однако удалось показать, что рибосомные РНК могут синтезировать белок и сами, без помощников — медленно, с трудом, но все-таки могут" (66).
Клетки, в которых происходит активный синтез белков, часто содержат рибосомы, расположенные одна за другой подобно жемчужинам на нитке, в виде так называемой полисомы. Это объясняется тем, что одна молекула мРНК может транслироваться одновременно несколькими рибосомами. Полисомы состоят из 4-12 монорибосом с присоединенной к ним мРНК.
Относительно происхождения рибосом известно, что рРНК происходит из общего предшественника всех клеточных РНК, в свою очередь синтезирующегося на матрице ДНК в ядре; рибосомные белки имеют цитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где и происходит спонтанное образование рибосомных субчастиц путем объединения белков с соответствующими рРНК. Объединенные субчастицы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны обратно в цитоплазму, где ряд рибосом вместе с мРНК образуют полисомы или полирибосомы.
II.10. ПРОЦЕСС ТРАНСЛЯЦИИ
Во время трансляции рибосома на основе мРНК синтезирует белок, состоящий из аминокислот. В этом ей помогает молекула-посредник тРНК, которая с одной стороны способна к комплементации с мРНК, а с другой несет на себе аминокислоту. Одна и та же мРНК может использоваться для синтеза белка сразу несколькими рибосомами.
Сборка рибосомы из 2 субъединиц предшествует трансляции. Кодирующий комплекс получает в своё распоряжение мРНК и читает ее шаг за шагом, каждый шаг — три нуклеотида. Каким образом проверяется соответствие между кодоном и аминокислотой, ведь здесь нельзя использовать комплементацию — нуклеотиды и аминокислоты говорят на совершенно разных языках? Молекула мРНК проходит через щель около характерной структуры в виде 'рога' на малой субчастице, причем эта щель ориентирована как раз в промежуток между двумя субчастицами. Молекулы тРНК также связываются вблизи этого участка. Для этого существует молекула-посредник. Это маленькая молекула РНК, один конец которой может присоединяться к мРНК по принципам комплементации (антикодон), а к другому прикреплена аминокислота.
Рибосома присоединяется к МРНК в назначенном ей месте, находит первый кодон, и готова воспринимать тРНК. С рибосомой (машина для синтеза белка) контактируют все возможные аминокислоты и только та, которая подходит под триплет нуклеотидов остается и встраивается в цепь аминокислот. Когда т-РНК заходит в отведенное ей место, антикодон проверяется на комплементарность с кодоном, если комплементарен — аминокислота на другом конце молекулы встраивается в цепочку белка, если нет — тРНК выкидывается и принимается новая. Каталитическая активность при синтезе полипептидных цепей определяется не белком, а молекулой мРНК (124, 125).
Так продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона. Среди тРНК нет молекулы соответствующей ни одному из стоп-кодонов, т. е. стоп-кодон не кодирует аминокислоту. Дойдя до стоп-кодона, рибосома покидает мРНК и освобождает цепочку аминокислот, т. е. готовый белок.
В настоящее время 50 процентов всех антибиотиков действуют именно на бактериальные рибосомы (125). Антибиотик обычно попадает в отверстия между субъединицами рибосомы и забивает ее.
II.11. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Как я уже указывал выше, генетическая информация, записанная в ДНК, сначала должна быть "переписана" на молекулу РНК (этот процесс называется транскрипцией). Затем специальные сложные молекулярные комплексы — рибосомы — считывают информацию с молекулы РНК, синтезируя молекулу белка в точном соответствии с записанной в РНК «инструкцией» (этот этап реализации генетической информации называется трансляцией). Затем специальные сложные, состоящие из белков и рибосомальных РНК, молекулярные комплексы — рибосомы — "считывают" информацию с молекулы РНК и переносят информацию в последовательность аминокислот, синтезируя молекулу белка в точном соответствии с записанной в РНК "инструкцией" (этот процесс называется трансляцией, перевод на другой носитель).
Синтез белка представляет собой циклический многоступенчатый энергозависимый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуются в генетически детерминированную последовательность с образованием полипептидов. В биосинтезе участвуют 20 аминокислот, называемых протеиногенными. Следовательно, "язык" нуклеиновых кислот должен содержать по крайней мере 20 слов (кодонов). Наличие 20 букв приводит к тому, что белки могут быть чрезвычайно разнообразными. Уже 12 различных аминокислот способны построить 10300 видов белков с массой 34000 Д. Если взять по одной молекуле белка каждого вида и сложить их вместе, то они бы весили 10280 г., тогда как вся планета Земля весит 1027 г. Наследственная информация записана в молекулах ДНК особым кодом. Правила, которым следует кодирование аминокислот на ДНК и РНК, называют генетическим кодом, который удалось расшифровать в 1960-е годы.
II.12. ОТКРЫТИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
Первая статья Уотсона и Крика была опубликована в апреле 1953 г., а через 5 недель была опубликована их вторая статья "Генетические последствия, вытекающие из структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты". Они предположили, что точная последовательность нуклеотидов и есть код, в котором хранится генетическая информация. Она копируется на 2 нитях ДНК.
В 1960-е годы было подтверждено, что наследственная информация записана в молекулах ДНК особым кодом, который был расшифрован в 1960-е годы. Гипотезу о том, как устроен генетический код для аминокислот, предложил русский ученый эмигрант-невозвращенец Гамов, который известен тем, что обосновал гипотезу расширяющейся Вселенной. Гамов понял, что генетический код не может быть одинарным, т. к. нуклеотидов ДНК всего 4, а аминокислот — 20. Кодировать аминокислоты двумя нуклеотидами каждую также недостаточно, т. к. возможно только 42 = 16 вариантов. Следующий логически вариант — кодировать аминокислоту тремя нуклеотидами, т. к. возможно 43 = 64 варианта. Он рассчитал, что поскольку в нуклеотидном "алфавите" имеется только четыре "буквы-нуклеотида" (А, Г, Ц и У или Т), то для получения 20 различных слов каждое должно состоять, по крайней мере, из трех букв. Три нуклеотида, являющиеся единицей кода, называются триплетом, или кодоном. По сути, именно Гамов открыл генетический код.
Дело было так. В 1953 году Гамов был избран в члены национальной академии наук США. В 1954 г. Гамов выдвинул гипотезу, что ДНК кодирует синтез белка, и именно в этом состоит ее физическая сущность, как носителя наследственной информации. Гамов послал статью в ПНАС (PNAS), журнал, где, по положению, любой текст члена национальной АН США должен быть бы напечатан без рецензирования. Однако журнал негласно отверг его статью с расшифровкой генетического кода. Видишь ли, американские биологи были недовольны вторжением Гамова в их епархию. Тогда он послал статью с расчетами генетического кода в труды Датской академии наук, где она была опубликована. В том же году сокращенный вариант статьи был помещен в самый престижный журнал Природа (Nature). Гамов был физиком, а не биологом, и к тому же русским, поэтому его открытие замалчивают, приписывая его иногда Крику, иногда Харано и Ниренебергу. Ни в одной западной книжке по генетике не пишут о гипотезе Гамова. Он хоть и невозвращенец, но свой.
Теоретическая идея Гамова была подтверждена в 1963 г. Идея Гамова была подтверждена в 1961 г. М. Ниеренбергом и Х. Маттхэем (182. С. 52). Они открыли, что три уридина кодируют аминокислоту фенилаланин. Генетики же считают, что генетический код был открыт в 1963-м году Х. Харано и М. Ниренебергом. Затем были открыты коды для других аминокислот. К 1966 г. код, используемый для кодирования аминокислот, был расшифрован полностью.