Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Более самостоятельны в организации своей пространственной структуры рибонуклеиновые кислоты, особенно транспортные (тРНК) и рибосомные (рРНК). Молекулы всех одноцепочечных, относительно низко- молекулярных полинуклеотидов тРНК имеют сходные черты в химическом строении и универсальный мотив складывания основной цепи во вторичную структуру ("клеверный лист") и третичную структуру, имеющую у всех транспортных рибонуклеиновых кислот Ь-образную форму.
Главной причиной, заставляющей молекулу тРНК принять определенную конформацию, служит взаимодействие между комплементарными парами азотистых оснований на трех внутренних участках цепи и расположенных антипараллельно 5'- и 3'-концевых участков. При создании и стабилизации трехмерных структур тРНК реализуется также целый ряд неканонических взаимодействий между основаниями. Переход от тРНК к обладающей аминокислотной специфичностью аминоацил-тРНК-синтетазе заметным образом не изменяет компактность полинуклеотидиого каркаса, который образовался спонтанно при сборке транспортной рибонуклеиновой кислоты. Пространственные структуры различных рибонуклеопротеидных аминоацилсинтетаз включают две или четыре белковые субъединицы, идентичные или неидентичные.
Таким образом, молекулы тРНК, имеющие одинаковый рисунок складывания цепи, обладают, как и белки, способностью спонтанно обретать строго детерминированные пространственные структуры. В отношении рРНК столь же однозначного вывода сделать нельзя. При определенных условиях прокариотическая рибосома 708 диссоциирует на две субъединицы с коэффициентами седиментации 508 и 308 (их молекулярные массы соответственно равны 1,5 10ь и 0,85 10ь Да), а эукариотическая рибосома 808 распадается на 608 и 408 субъединицы.
Каждая рибосомная частица содержит определенный набор белков, большинство которых представлено лишь в одном экземпляре. Малая частица рибосомы Е. со11 содержит 21 белок (81 — 821), а большая частица — 32 различных белка (Ь1 — Ь32). А.С. Спирин отмечает: "Будет не очень большим преувеличением сказать, что рибосома есть прежде всего ее РНК. Примитивный предшественник рибосомы мог бы сосгоять только из РНК и лишь в ходе эволюции постепенно модифицироваться белками. Прокариотическая рибосома по массе на 2/3 состоит из РНК и лишь на !/3 из белков.
Эволюционно более поздняя эукариотическая рибосома уже наполовину состоит из белков" (48. С 68). Рассмотрим, в какой мере морфологические особенности малой и большой субъединиц обусловлены пространственной структурой рибосомных РНК и белков. Исследования А.С. Спирина и соавт. [49 — 51).
53 М. Номура и соавт. [52, 53) впервые показали, что формирование структурной организации рибосомы представляет собой самопроизвольно протекающий и обратимый процесс. Сборка как 305, так и 508 рибосомных частиц Е, со!1 с восстановлением нх функциональных активностей может быть осуществлена прн определенных ионных условиях из изолированных рибосомных РНК и двух полных наборов индивидуальных рибосомных белков.
Однако это не означает, что свертывание полинуклеотидных последовательностей обеих рибосомных субъединиц от полностью развернутых состояний с коэффициентами седиментации 2-58 (реализуются в отсутствие ионов М8м или при температуре выше 60') до окончательной реконструкции активных форм (308 и 508) является, действительно, процессом самосборки индивидуальных полинуклеотидных цепей с последующей ассоциацией собранных структур с белками. Полинуклеотидная цепь малой (308) частицы может свертываться спонтанно в относительно стабильную, но недостаточно компактную структуру 168. Это состояние отвечает максимально плотной упаковке индивидуальной молекулы РНК малой частицы рнбосомы, ее обычно обозначают 165 РНК, а аналогичное состояние больпюй частицы — 238 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 нуклеотндов, а средняя длина спиралей составляет около 7-8 нуклеогндных пар. Всего у 168 РНК Е, со11 обнаружено около 60 спиралей, а у 238 РНК вЂ” немногим более ста, которые группируются соответственно в 3 и 6 структурных доменов [48]. Дальнейшее свертывание н компактизация полинуклеотндных цепей, ведущих к образованию строго детерминированных трехмерных структур 308 и 508 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 238, а затем до 258; последующая ассоциация девяти белков увеличивает коэффициент седиментации до 288, а добавление еще шести белков доводит его до 308. Эти данные получены М.
Номура и соавт. [54, 55), которые осуществили полную реконструкцию биологически активных 308 субъеднниц Е, сой нз индивидуальной РНК и соответствующего набора из 21 белка, инкубируя смесь при 0,3 М КС1, 20 мМ М8С)з и 40 'С в течение 20 мин.
Разборка рибосомных частиц происходит прн их инкубацин в условиях повышенной ионной силы и высокой концентрации Мдз'. Вначале процесс сводится лишь к диссоцнации рибосомных белков в порядке, обратном наблюдаемому прн 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 168 РНК при сборке, удерживают плотность упаковки и форму полинуклеотндной цепи, свойственные функ- цноиально активному состоянию 305 148). Аналогичным образом, как при развертывании, так и свертывании ведет себя полинуклеотидиая цепь субъединицы 505 Е. со11. Ее 23$ 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 1бЯ и 238 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" 148.
С. 125). Итак, среди всех компонентов живой материи общность со структурной организацией белков обнаруживают только транспортные и отчасти рибосомные рнбонуклеиновые кислоты. Свертывание тРНК не требует особого морфогенетического аппарата и участия белков. Самостоятельная сборка нх индивидуальных цепей начинается с полностью развернутого состояния и заканчивается образованием одинаковых у всех молекул плотноупакованных стабильных Е;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-спирали Уотсона-Крика, которые самостоятельно не могут упаковываться в устойчивую трехмерную структуру. Завершают создание рибонуклеотидных каркасов физиологически активных ЗОБ и 508 субъединиц специальные строительные белки.
Таким образом, сравнительно короткие рибонуклеотидные 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 55 РНК вЂ” лишь крайне ограниченное число нуклеотидных последовательностей Причины этого станут очевидными после обсуждения теории структурной организации белковых молекул и конкретных результатов расчета А сейчас рассмотрим специфику живого на молекулярном уровне Сопоставление свойств соединений органического и неорганического мира позволяет, как мне кажется, сделать вывод, что особое качество живой материи прежде всего обусловлено белками Они в той же мере являются носителями активного начала всего живого, в какой ДНК— носителями потенциального начала Исключительная роль природных аминокислотных последовательностей в процессах жизнедеятельности и структурировании макромолекулярных комплексов, органелл, клеток, тканей, органов и целых организмов заключается в присущей только им способности к структурной самоорганизации собственных молекул В зависимости от внешнего окружения белковые цепи могут находиться в двух равновесных состояниях в виде флуктуирующего статистического клубка и в форме компактной трехмерной структуры Первое состояние лишено специфических черт живого и своим поведением мало отличается от синтетических полимеров в растворе Аминокислотные последовательности обретают свои исключительные свойства — становятся белками — лишь во втором равновесном состоянии, когда цепи свертываются и принимают фиксированные формы, обладающие биологической активностью Активные формы природных аминокислотных последовательностей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
