В соответствии с предложенным А. С. Спириным механизмом работы рибосомы стали в определенной мере понятны и молекулярные механизмы известных давно ошибок рибосомального синтеза белка, зависящие от самой рибосомы.
Известно, что противобактериальное действие ряда аминоглюкозидных антибиотиков (стрептомицин, канамицин, неомицин и др.) связывается со способностью их вызывать ошибки кодирования рибосомального синтеза белка, и это было показано экспериментально на бесклеточных системах.
В работах А. С. Спирина и его коллег было изучено влияние указанных антибиотиков на цикл работы рибосомы и показано, что все они ускоряли стабилизацию ассоциированных субчастиц рибосомы. Кроме того, установлено, что бивалентные ионы магния, кальция, марганца и ряд некоторых агентов также увеличивали (ускоряли) стабилизацию (т. е. смыкание) субчастиц рибосомы. Так, изменение концентрации магния на 1 мМ существенно (примерно на 10%) изменяло вероятность нахождения рибосомальных субчастиц в связанном состоянии (т. е. в сомкнутом). Наоборот, одновалентные катионы натрия, калия и других уменьшали вероятность нахождения субчастиц рибосомы в сомкнутом состоянии. Увеличение концентрации их в бесклеточной среде примерно на 10 мМ уменьшало долю связанных субчастиц на 10—20%.
Все факторы, которые ускоряли стабилизацию субчастиц рибосомы, способствовали увеличению ошибок кодирования рибосомального синтеза белка. Это было особенно четко показано в экспериментах с бактериальными рибосомами в бесклеточной среде на примере использования полиуридиновой матрицы, кодирующей аминокислоту фенилаланина.
Вместо фенилаланина рибосома в небольшом проценте случаев включала в полипептидную цепь лейцин и изолейцин и значительно реже серин, тирозин и валин. Однако при добавлении в среду, например, стрептомицина и ионов магния ложное кодирование, определявшееся по отношению включенного в полипептидную цепь лейцина к фенилаланину, увеличивалось с 5 до 32%, т. е. в 6 раз. Особенно сильно влияние ионов магния и натрия. Так, по кривым зависимости числа ошибок включения лейцина видно, что изменение концентрации Mg с 1,0 до 2,0 мМ увеличило ошибки более чем в 3 раза (до 17%).
В терминах модели А. С. Спирина повышенная вероятность сомкнутого состояния рибосомы должна приводить к повышению ложного кодирования. Все факторы, ускоряющие стабилизацию сомкнутого состояния рибосомы, должны увеличивать ошибочное включение аминокислот в пептидную цепь. Среди них изучено влияние ионов магния, кальция, марганца и некоторых других. Противоположным действием обладают ионы натрия, калия и другие одновалентные катионы.
Таблица 3. Аминокислотный код (указаны нуклеотиды кодонов и соответствующие им аминокислоты)
| Второй нуклеотид кодона | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| У | Ц | А | Г | ||||
| Первый нуклеотид кодона | У | (УУУ, УУЦ) Фенилалацин; (УУА, УУГ) Лейцин | (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ) Серин | (УАУ, УАЦ) Тирозин; (УАА) —; (УАГ) — | (УГУ, УГЦ) Цистеин; (УГА) —; (УГГ) Триптофан | УЦАГ | Третий нуклеотид кодона |
| Ц | (ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ) Лейцин | (ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ) Пролин | (ЦАУ, ЦАЦ) Гистидин; (ЦАА, ЦАГ) Глютаминовая кислота | (ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ) Аргинин | УЦАГ | ||
| А | (АУУ, АУЦ, АУА) Изолейцин; (АУГ) Метионин | (АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ) Треонин | (ААУ, ААЦ) Аспарагиновая кислота; (ААА, ААГ) Лизин | (АГУ, АГЦ) Серин; (АГА, АГГ) Аргинин | УЦАГ | ||
| Г | (ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ) Валин | (ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ) Аланин | (ГАУ, ГАЦ) Аспарагин; (ГАА, ГАГ) Глютамин | (ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ) Глицин | УЦАГ | ||
Таблица 4. Принципиально возможные ошибки чтения кодонов, обнаруженные в экспериментах in vitro в бесклеточной среде на синтетических матрицах
| Категория ошибки | Исходный кодон | Ошибочное чтение |
|---|---|---|
| Ошибка в чтении одного из нуклеотидов кодона | УУУ (фенилаланин) | УУГ (лейцин) УЦУ (серин)ГУУ (валин) |
| Сдвиг рамки чтения | ЦАУ (гистидин) | АУЦ (изолейцин) УЦА (серин) |
| Ошибка в чтении двух нуклеотидов (очень редко встречавшаяся) | УУУ (фенилаланин) | УГЦ (цистеин) ААУ (аспарагиновая кислота)АУГ (метионин) |