Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим, в какой мере морфологические особенности малой и большой субъединиц обусловлены пространственной структурой рибо-сомных РНК и белков. Исследования А.С. Спирина и соавт. [49-51],
М. Номура и соавт. [52, 53] впервые показали, что формирование структурной организации рибосомы представляет собой самопроизвольно протекающий и обратимый процесс. Сборка как 30S, так и 50S рибо-сомных частиц Е. coli с восстановлением их функциональных активностей может быть осуществлена при определенных ионных условиях из изолированных рибосомных РНК и двух полных наборов индивидуальных рибосомных белков. Однако это не означает, что свертывание поли-нуклеотидных последовательностей обеих рибосомных субъединиц от полностью развернутых состояний с коэффициентами седиментации 2-5S (реализуются в отсутствие ионов Mg2+ или при температуре выше 60°) до окончательной реконструкции активных форм (30S и 50S) является, действительно, процессом самосборки индивидуальных полинуклеотидных цепей с последующей ассоциацией собранных структур с белками. По-линуклеотидная цепь малой (30S) частицы может свертываться спонтанно в относительно стабильную, но недостаточно компактную структуру 16S. Это состояние отвечает максимально плотной упаковке индивидуальной молекулы РНК малой частицы рибосомы, ее обычно обозначают 16S РНК, а аналогичное состояние большой частицы - 23S РНК. В отсутствие солей или при умеренно высокой температуре обе частицы имеют разветвленную вторичную структуру, представляющую собой сложную сеть относительно коротких двуспиральных участков. Длина спиралей редко превышает размер одного витка, т.е. 10-12 пар комплементарных нуклеотидов, а средняя длина спиралей составляет около 7-8 нуклеотидных пар. Всего у 16S РНК Е. coli обнаружено около 60 спиралей, а у 23S РНК - немногим более ста, которые группируются соответственно в 3 и 6 структурных доменов [48]. Дальнейшее свертывание и компактизация полинуклеотидных цепей, ведущих к образованию строго детерминированных трехмерных структур 30S и 50S рибосомных частиц, становятся возможными только при участии белков. Процесс протекает спонтанно в несколько стадий, каждая из которых сопровождается присоединением определенных белков и ступенчатым переходом от менее компактного к более компактному состоянию. На первой стадии присоединение шести белков уплотняет малую частицу сначала до 23S, а затем до 25S; последующая ассоциация девяти белков увеличивает коэффициент седиментации до 28S, а добавление еще шести белков доводит его до 30S. Эти данные получены М. Номура и соавт. [54, 55], которые осуществили полную реконструкцию биологически активных 30S субъединиц Е. coli из индивидуальной РНК и соответствующего набора из 21 белка, инкубируя смесь при 0,3 М КС1, 20 мМ MgCl2 и 40 °С в течение 20 мин.
Разборка рибосомных частиц происходит при их инкубации в условиях повышенной ионной силы и высокой концентрации Mg2+. Вначале процесс сводится лишь к диссоциации рибосомных белков в порядке, обратном наблюдаемому при сборке. Исследования пространственной структуры малой частицы рибосомной РНК с различным содержанием белков методами электронной микроскопии и малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния убеждают в том, что всего шесть белков из 21, а именно те, которые первыми присоединяются к 16S РНК при сборке, удерживают плотность упаковки и форму полинуклеотидной цепи, свойственные функ-
ционально активному состоянию 30S [48]. Аналогичным образом, как при развертывании, так и свертывании ведет себя полинуклеотидная цепь субъединицы 50S Е. coli. Ее 23S РНК сохраняет исходную пространственную структуру вплоть до стадии, при которой в частице удерживается всего девять белков из 32. Таким образом, обе рибосомные частицы представляют собой плотно упакованные рибонуклеопротеиды, в которых ковалентно непрерывными остовами являются молекулы рибосомных 16S и 23S РНК. Процесс структурной организации (точнее, самоорганизации) каждой частицы начинается с образования в определенной мере детерминированного, но в то же время лабильного рибонуклеотидного каркаса или центрального ядра, на периферии которого располагаются белковые глобулы. Ассоциация некоторых из белков с полирибонуклеотидной цепью уплотняет каркас и лишает его подвижности. А.С. Спирин в своей монографии отмечает: "Специфическая стабилизация определенными белками неустойчивых состояний элементов третичной и вторичной структуры РНК может быть общим принципом не только структурной организации рибосом, но и функционирования любых белково-нуклеиновых систем" [48. С. 125].
Итак, среди всех компонентов живой материи общность со структурной организацией белков обнаруживают только транспортные и отчасти рибосомные рибонуклеиновые кислоты. Свертывание тРНК не требует особого морфогенетического аппарата и участия белков. Самостоятельная сборка их индивидуальных цепей начинается с полностью развернутого состояния и заканчивается образованием одинаковых у всех молекул плот-ноупакованных стабильных L-образных структур, готовых после присоединения аминоацилсинтетазы к функционированию. Свертывание здесь, как и у белков, является нелинейным неравновесным процессом структурной самоорганизации, протекающим вдали от положения равновесия. У рибосомных РНК самосборка не идет до конца, а ограничивается образованием многочисленных участков вторичной структуры типа ДНК-спи-рали Уотсона-Крика, которые самостоятельно не могут упаковываться в устойчивую трехмерную структуру. Завершают создание рибонуклеотид-ных каркасов физиологически активных 30S и 50S субъединиц специальные строительные белки. Таким образом, сравнительно короткие рибо-нуклеотидные последовательности (тРНК) структурно самоорганизуются, а на порядок более длинные последовательности (рРНК) такой способностью не обладают. У аминокислотных последовательностей картина обратная: пространственное строение природных олигопептидов описывается набором близких по энергии и легко переходящих друг в друга конформаций, а пространственное строение полипептидов (белков) - единственной, строго детерминированной трехмерной структурой. Обращает на себя внимание еще одно различие между структурными организациями молекул нуклеиновых кислот и белков: чрезвычайно малые возможности первых (строго говоря, только тРНК) по сравнению с практически беспредельными, на первый взгляд, возможностями к самосборке своих пространственных структур вторых. Следовательно, в случае белков способностью к спонтанной пространственной самоорганизации обладают почти все природные аминокислотные последовательности, а в случае ДНК и
