мало устойчив к неблагоприятным условиям, ядам и другим помехам. Следовательно, большой избыток свободной энергии необходим системе, чтобы обеспечить высокие скорости и высокую устойчивость элонгации. Очевидно, экономичность не является главным преимуществом, обеспечивающим жизнеспособность системы в живой природе.

Рекомендуемая литература

Итоги науки и техники. Сер. биол. химия. - М . : ВИНИТИ, 1983. Т. 18. С. 135-193. Гаврилова Л. П., Спирин А. С. Изучение механизма транслокации в рибосомах. II.

Активация спонтанной («неэнзиматической») транслокации в рибосомах Escherichia coli парахлормеркурибензоатом. — Молекул, биол., 1972. Т. 6. С. 311—319.

Овчинников Ю. А., Алахов Ю. Б., Бундулис Ю. П. и др. Первичная структура фактора элонгации G из Escherichia coli. IX. Исследование структуры пептидов бромцианового расщепления G-фактора, выделенных на тиол-активированной сефарозе, и продуктов расщепления G-фактора по связям Asp-Pro. Полная первичная структура.—Биоорган, химия,

1983. Т. 9. С.

343-357.

Спирин А. С. О механизме

работы рибосомы. Гипотеза

смыкания-размыкания суб-

частиц. -

Докл. АН СССР, 1968. Т. 179. С. 1467-1470.

Тналина

Г. Ж.,

Белицина

Н. В.,

Спирин

А.

С. Безматричный

синтез

полипептидов

из аминоацил-тРНК на рибосомах

Escherichia

coli.—Докл.

АН

СССР,

1982.

Т.

266,

С.

741-745.

Четверин А. Б., Спирин

А.

С. Биоэнергетика

и

синтез

белка. — Усп. биол. химии,

1983. Т. 24. С.

3-39.

The

Mechanism

of

Protein

Synthesis. -

Cold

Spring

Harbor Symp.

Quant.

Biol.,

1969,

v. 34, p. 167-177;

197-207; 331-356;

377-431;

437-468.

Chambliss G. et al., eds.

Ribosomes: Structure, Function, and Genetics. Baltimore:

Univ. Park Press, 1980, p. 377-411;

555-581.

Cohn W. E., ed. Progress

in Nucleic Acid Research and Molecular Biology. N. Y.:

Acad. Press, 1978, v. 21, p. 39-62.

Nomura

M.,

Tissieres A.,

Lengyel

P.,

eds.

Ribosomes.

N.

Y.:

Cold

Spring

Harbor

Laboratory,

1974, p. 871-884.

Weissbach #., Pestka S., eds.

Molecular

Mechanisms

of

Protein

Biosynthesis. -

N.

Y.:

Acad. Press, 1977, p. 375-411.

Belitsina

N.

V.,

Spirin

A.

S.

Ribosomal

translocation

assayed

by the matrix-bound

poly(uridylic

acid)

column

technique.

Effects

of

different

magnesium

concentrations. -

Eur.

J. Biochem., 1979, v. 94, p.

315-320.

Belitsina N. V., Glukhova M. A., Spirin A. S. Translocation

in

ribosomes

by

attachment-

detachment

of

elongation

factor

G

without

GTP

cleavage:

Evidence

from

a

column-bound

ribosome system. - FEBS Lett., 1975, v. 54, p. 35-38.

Bodley

J.

W., Zieve

F.

J.,

Lin L. Studies on translocation: IV. The hydrolysis

of a

single

round

of

GTP

in

the

presence

of

fusidic

acid. -

J.

Biol.

Chem.,

1970,

v.

245,

p.

5662-5667.

Gupta

S.

L.,

Waterson

J.,

Sopori M. L. et al. Movement of the ribosome along the

messenger

ribonucleic acid during protein synthesis. - Biochemistry,

1971, v. 10, p. 4410-4421.

Haenni A.-L., Lucas-Lenard

J. Stepwise

synthesis

of

a

tripeptide. -

Proc. Nat. Acad.

Sei.

U.S.A.,

1968, v. 61, p. 1363-1369.

Inoue-Yokosawa N., Ishikawa

C,

Kaziro

Y.

The

role

of

guanosine

triphosphate

in

translocation

reaction

catalyzed

by

elongation factor

G. -

J.

Biol.

Chem.,

1974,

v.

249,

p.

4321-4323.

Kaziro Y. The role of guanosine 5'-triphosphate

in

polypeptide

chain

elongation. -

Biochim. Biophys. Acta, 1978, v. 505, p.

95-127.

Leder

P. The elongation

reactions

in

protein

synthesis. -

Adv.

Protein

Chem.,

1973,

v. 27, p. 213-242.

Uatzke

A.J.M., Barta A., Kuechler E.

Mechanism of

translocation: Relative

arrangement

of

tRNA

and

mRNA

on

the

ribosome. - Proc. Nat.

Acad.

Sei.

U.S.A.,

1980,

v.

77,

p. 5110-5114.

Nishizuka

Y., Lipmann

F.

The interrelationship between GTPase and

amino

acid

polymerization.

- Arch. Biochem. Biophys.,

1966, v. 116, p. 344-351.

210

Pestka S. Studies on the formation of transfer ribonucleic acid-ribosome complex. VI. Oligopeptide synthesis and translocation on ribosomes in the presence and absence of soluble transfer factors. - J. Biol. Chem., 1969, v. 244, p. 1533-1539.

Riddle	D. L.,	Carbon J. Frameshift suppression: a nucleotide addition in the anticodon
of a glycine	transfer RNA. - Nature New Biol., 1973, v. 242, p. 230-234.
Thach	S. S.,	Thach R. E. Translocation of messenger RNA and «accomodation» of

fMet-tRNA. - Proc. Nat. Acad. Sei. U.S.A., 1971, v. 68, p. 1791-1795.

Глава V

ЭЛОНГАЦИЯ: РЕГУЛЯЦИЯ

1. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ЭЛОНГАЦИИ

Из скорости считывания мРНК рибосомами (см. А.IV.4) следует, что продолжительность каждого элонгационного цикла, включая связывание аминоацил-тРНК, транспептидацию и транслокацию, составляет около 0,06—0,1 с (при 37°С). Однако эта частота около 10—15 циклов в секунду может считаться лишь средним значением для всей элонгации. Имеются данные, что скорость элонгации может меняться во время трансляции цепи мРНК.

Прежде всего, было отмечено, что во время синтеза глобиновых цепей в ретикулоцитах кролика распределение образующихся пептидов по размеру не является непрерывным, а скорее обнаруживает дискретные классы, указывая на возможность каких-то перерывов или остановок в процессе трансляции (элонгации). Аналогичные результаты были получены при синтезе белка оболочки бактериофага MS2 в клетках Е. coli, инфицированных фагом MS2. Такая прерывистая или неравномерная трансляция наблюдалась также в интактных клетках и бесклеточных системах для некоторых других белков, например для фиброина шелка, вителлогенина и сывороточного альбумина, белков вируса табачной мозаики, белков вируса энцефаломиокардита, бактериальных колицинов и т. д. Все эти наблюдения привели к заключению, что во время элонгации рибосомы двигаются вдоль цепи мРНК с неравномерной скоростью; иногда, на некоторых специфичных участках мРНК, они могут замедлять свое движение или на время останавливаться. Иными словами, во время элонгации, по крайней мере в некоторых случаях, могут случаться более или менее длительные паузы.

Для объяснения этой трансляционной неравномерности (пауз) можно предложить три механизма, не обязательно исключающие друг друга.

1. Первое объяснения состоит в том, что рибосома может задерживаться на кодонах, соответствующих минорным (присутствующим

вмалых количествах) изоакцепторным тРНК (или, что менее вероятно, тРНК, обладающим низкой эффективностью узнавания кодонов и связывания с рибосомой). Анализы использования различных кодонов

вмРНК показывают, что мРНК, кодирующие главные (в количественном отношении) клеточные белки, избирательно используют те

211

синонимные кодоны, которые соответствуют изоакцепторным тРНК, присутствующим в клетке в относительно больших количествах. Синонимные кодоны, соответствующие минорным тРНК, используются редко (если вообще используются) в этих мРНК (например, в случае Е. coli, аргининовые кодоны CGA и CGG, а также AGA и AGG; изолейциновый кодон AUA; лейциновый кодон CUA; сериновые кодоны UCA и UCG; пролиновый кодон ССС; глициновые кодоны GGA и GGG). Возможно, что, когда транслирующая рибосома сталкивается с таким редко используемым кодоном в мРНК, ей необходимо какое-то время для ожидания прихода минорной тРНК из окружающей среды. Иными словами, низкие концентрации некоторых тРНК могут быть фактором, регулирующим скорость, приводя к трансляционным паузам на соответствующих кодонах.

Кодоны,	соответствующие	минорным	тРНК, можно	назвать
модулирующими кодонами, так		как предполагается, что		они могут
модулировать	скорость трансляции. Встречаясь в разных количествах
в различных	мРНК, они могут определять		разную степень экспрес-

сии мРНК: чем больше модулирующих кодонов содержится в мРНК, тем менее эта мРНК будет экспрессироваться, по сравнению с другими мРНК. В то же время, клетка может избирательно менять степень экспрессии (транслируемости) слабо экспрессируемой мРНК путем адаптации концентраций изоакцепторных тРНК к набору кодонов в данной мРНК. Например, известно, что во время интенсивного синтеза фиброина в шелкоотделительных железах внутриклеточный запас изоакцепторных тРНК претерпевает сильные изменения, в результате которых обеспечивается снабжение именно теми тРНК, которые необходимы для трансляции мРНК фиброина; в частности, определенные глициновая, аланиновая и сериновая изоакцепторные тРНК становятся преобладающими в соответствии с преобладанием соответствующих глициновых, аланиновых и сериновых кодонов в мРНК фиброина.

2. Скорость продвижения рибосомы по цепи мРНК может быть не одинаковой из-за различной стабильности вторичной и третичной структур различных участков мРНК. В частности, для того чтобы иметь стабильный двухтяжевый участок мРНК в расплетенном и доступном для трансляции виде, рибосоме необходимо большее время «ожидания», чем при трансляции других, менее структурированных, участков мРНК. В таких случаях будет возникать неравномерность элонгации, и места трансляционных пауз будут соответствовать прохождению рибосом через участки, содержащие относительно стабильные двойные спирали или иные структуры в цепи мРНК. Эта гипотеза согласуется с предсказаниями вторичных структур мРНК, кодирующих некоторые неравномерно синтезируемые белки.

В связи с рассматриваемой гипотезой особый интерес представляет наблюдение, сделанное недавно Ю. В. Свиткиным и В. И. Аголом (1983). Они показали, что во время трансляции РНК вируса энцефаломиокардита в определенном участке этой РНК существует трансляционный барьер, вызывающий значительную задержку во времени экспрессии последующей кодирующей последовательности. Примеча-

212

тельно, что этот барьер преодолевается добавлением фактора элонгации 2 (EF-2) в количествах, превышающих каталитические количества EF-2, необходимые для максимальных скоростей элонгации на других участках РНК. Следовательно, эукариотический EF-2 обладает какими-то регуляторными функциями в элонгации, в дополнение к его функции катализа транслокации. Возможно, эта функция имеет отношение к РНК-связывающей способности EF-2 (отсутствующей у его прокариотического аналога EF-G); например, можно предположить, что РНК-связывающая способность EF-2 служит для разворачивания или дестабилизации структурных барьеров в мРНК, таких как стабильные двухтяжевые спирали или особые третичные взаимодействия.

3. Возможно существование каких-то регуляторных белков или малых рибонуклеопротеидов, которые взаимодействуют с транслирующей рибосомой и избирательно останавливают или затрудняют элонгацию в определенных местах. Известен пример таких специфичных репрессоров элонгации в эукариотах: это рибонуклеопротеидная частица, содержащая 7S РНК; частица узнает особую N-концевую гидрофобную последовательность образующегося полипептида на транслирующей рибосоме, присоединяется к рибосомам и останавливает элонгацию до тех пор, пока рибосома не вступит во взаимодействие с мембраной эндоплазматического ретикулума (см. B.IX.2). Не исключено, что подобные механизмы используются для регуляции скорости элонгации на других стадиях синтеза белка, например, на определенных стадиях сворачивания белка или сборки белка на транслирующей рибосоме.

2. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТИ ЭЛОНГАЦИИ НА РАЗЛИЧНЫХ мРНК

Во время развития клеток и организмов, а также в ответ на обработку гормонами или под действием факторов окружающей среды, возможны, по-видимому, дифференциальные изменения в скоростях элонгации на различных мРНК. Одним из примеров является различная скорость элонгации на двух популяциях мРНК после теплового шока в клетках Drosophila: элонгация на основных дошоковых мРНК сильно замедляется, и в то же время оказывается быстрой на мРНК, синтезированных в результате теплового шока.

Другой пример регулируемых дифференциальных изменений в скорости элонгации был дан Дж. Иланом и сотр.: эстроген, введенный цыплятам, ведет к индуцированию синтеза вителлогенина в печени с начальной скоростью элонгации, равной примерно 9 остаткам в секунду; в то же время скорость элонгации суммарных белков печени снижается с 7 до 4,5 остатков в секунду; через 2 дня после инъекции и в последующее время скорость элонгации всех белков печени составляет от 2 до 3 остатков в секунду.

Механизмы избирательной регуляции скорости элонгации на различных эукариотических мРНК не известны. Во всяком случае, не исключено, что здесь могут действовать некоторые из тех механизмов,

213