| |
Синтез белков из
аминокислот – ключевой механизм, лежащий в основе жизнедеятельности
всех без исключения живых организмов, осуществляется рибосомами – сложными
специализированными макромолекулярными комплексами. Процесс синтеза
белка в клетках подобен конвейерной сборке: через «сборочный участок» (рибосому)
протягивается носитель информации (молекула матричной РНК) с кодом последовательности
аминокислот, которые должны быть соединены в белковую цепь. Аминокислоты,
необходимые для синтеза именно этого белка, постоянно доставляются транспортными
молекулами (транспортная РНК) на рибосому, где они в строго контролируемой
последовательности соединяются с уже собранным фрагментом белка. После
каждого цикла присоединения аминокислоты пустая транспортная тРНК покидает
рибосому, чтобы доставить новую аминокислоту, а носитель информации
последовательности аминокислот передвигается, подставляя для считывания
новый участок. Этот сложный, но элегантный механизм работает слаженно
и четко, несмотря на то, что размеры такой белковой фабрики – 20 нм,
т.е. в 100 000 раз меньше спичечной головки. Две основные характеристики
такого синтеза – это феноменальная скорость (10‑20 аминокислот
в секунду) и высокая точность (1 ошибка на 103-105
аминокислот) сборки. Медленный или неточный синтез может оказаться роковым,
ведь даже всего одна ошибка в последовательности белка, состоящего из
сотен аминокислот, может привести к потере его активности, а порой и
к возникновению токсичности для клетки. В свою очередь, появление дефектного белка может привести к гибели клетки и к заболеванию
всего организма.
Для чего же нужно изучать,
как работают рибосомы? Во-первых, как мы уже говорили, если возникают
нарушения в работе механизма синтеза белка, это
приводит к трагическим последствиям как для
отдельной клетки, так и для всего организма. Соответственно, мы должны
уметь правильно диагностировать такие нарушения и уметь их корректировать.
Во-вторых, следует помнить, что человечество вошло в эру биотехнологии.
Искусственно созданные или модифицированные белки обеспечивают многие
аспекты нашей повседневной жизни: рекомбинантный инсулин, необходимый
для больных сахарным диабетом, порошки, отстирывающие белье при низкой
температуре за счет добавок специальных белков – протеаз, и многое другое.
И, в-третьих, именно рибосомы бактерий являются мишенями для многих применяемых сегодня антибиотиков.
Появление новых микроорганизмов, устойчивых к имеющимся на сегодняшний
день лекарственным препаратам, представляет серьезную угрозу для здоровья
людей. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно
на территории ЕС более 25 000 пациентов умирают от инфекций, вызванных
бактериями, обладающими множественной лекарственной устойчивостью, а
экономический ущерб (расходы на медицинскую помощь и потери продуктивности)
оценивается, по меньшей мере, в 1,5 миллиарда евро [Бюллетень ВОЗ 2011,
в. 89].
Изучение молекулярных механизмов
функционирования рибосом и направленная разработка новых типов антибиотиков
представляет одну из актуальнейших задач современной биомедицины. Работы
в этом направлении активно ведутся и в нашей лаборатории биосинтеза
белка в Отделении молекулярной и радиационной биофизики ПИЯФ. Появление
современных биофизических методов исследований позволило пролить свет
на многие аспекты и выяснить молекулярные механизмы отдельных реакций.
В 2013 году цикл работ сотрудников лаборатории биосинтеза белка, посвященных
транслокации, т.е. процессу перемещения тРНК в рибосоме, был отмечен
премией им. И.В. Курчатова. Как основные достижения работы следует
отметить выяснение деталей кинетического механизма транслокации,
промежуточных этапов этого процесса и определение
его термодинамических характеристик. А также
открытие явления спонтанной обратной транслокации,
подтверждающее диффузионную модель транслокации. Также удалось реконструировать траектории перемещения тРНК внутри рибосомы
и впервые в мире получить «внутримолекулярный фильм» о движениях субстратов
в процессе транслокации. В авторский коллектив вошли заведующий лабораторией
биосинтеза белка к.ф.-м.н. А.Л. Коневега, ведущий научный сотрудник
и основатель лаборатории д.б.н. С.В. Кириллов
и ведущий научный сотрудник к.б.н. Ю.П. Семенков. Отмеченные премией
работы проводились в течение почти 15 лет, в том числе с использованием
современных биофизических приборов, установленных в лабораториях научно-исследовательских
центров и университетов Германии и США, что отражает не только междисциплинарный,
но и интернациональный принцип построения современной науки. И напоследок
хотелось бы отметить, что, несмотря на впечатляющие успехи, достигнутые
в данном направлении, молекулярный механизм синтеза белка все еще далек
от полного понимания. Сотрудники лаборатории продолжают исследования
в области биосинтеза белка, и нам предстоит раскрыть еще многие детали
этого изящного механизма, созданного Её Величеством Природой.
|
|
