Текст книги "Биофизика познает рак"

Автор книги: Инал Акоев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 12 страниц)

Биохимические и биофизические изменения, связанные с усилением пролиферативной активности

Имеется большое количество книг и обзоров, рассматривающих биохимические процессы в тканях и популяциях клеток со стимулированной пролиферацией. Существуют общие закономерности, свидетельствующие об одинаковой направленности большинства биохимических изменений в эмбриональных, регенерирующих и опухолевых тканях по сравнению с нормальной тканью, хотя встречаются и отдельные исключения.

Пролиферирующие активно делящиеся клетки обычно отличаются усиленным расходованием липидов, ускоренным гликолизом, нуклеосинтезом и протеосинтезом, повышением активности пентозофосфатного шунта. В таких клетках, как правило, соотношение циклаз смещается в сторону гуанилатциклаз, соотношение циклонуклеотидов – в сторону цГМФ над цАМФ. Соответственно увеличивается активность цГМФ-зависимых протеинкиназ и уменьшается активность цАМФ-зависимых протеинкиназ. В митохондриях увеличивается активность АТФаз и снижается активность АТФ-синтетаз, накапливаются ионы Ga²⁺ и уменьшается содержание ионов Mg²⁺. Активность НАДФ-зависимых дегидрогеназ повышается, а НАД-зависимых – падает. В цитоплазме уменьшается соотношение белковых SH– и S—S-групп, а в ядре и ядрышке – увеличивается. В отношении небелковых SH– и S—S-групп картина обратная.

При длительном усилении пролиферативной активности ткани и снижении степени дифференцировки составляющих ее клеток однозначно увеличивается активность систем, определяющих основные биологические характеристики делящихся клеток и являющихся более древними в эволюционном плане. Одновременно или несколько позже в таких случаях снижается активность эволюционно более молодых систем, связанных с ведущими признаками дифференцированного состояния клетки.

Эта закономерность общая для всех ускоренно размножающихся клеток, включая и клетки злокачественных опухолей. Не обнаружено никаких специфических опухолевых ферментов или каких-либо белков, липидов, гликолипидов или других химических соединений, которые не были бы свойственны нормальным клеткам на различных этапах их жизненного пути.

При длительном состоянии ускоренной пролиферации любых клеток происходит определенная редукция клеточного метаболизма. Так, Уоррен и Бак отметили, что злокачественные, активно пролиферирующие клетки содержат больше гликолипидов с короткими углеводными цепями, чем нормальные (из-за сниженного содержания сиаловой кислоты), но меньше гликолипидов с длинными цепями. Такие клетки в силу укорочения митотического цикла не успевают завершать синтез углеводных компонентов своих гликолипидов. Уменьшено среди белков и гликопротеидов поверхности клеток количество фибронектина и коллагена, неспецифических и адгезивных гликопротеидов как при стимуляции пролиферации в норме, так и при опухолевом росте. Подобные аномалии могут нести к снижению чувствительности клеток к контактному угнетению митотической активности и к изменению иммунной специфичности гликопротеинов клеточной поверхности.

При длительном состоянии ускоренной пролиферации в существующих в норме последовательностях реакции, преимущественно имеющих специализированное значение, возможно также выпадение промежуточных звеньев. Оно начинается со снижения активности и содержания фермента, а затем приводит к исчезновению последнего. Соответственно происходит упрощение состава метаболитов и укорочение метаболического пути.

Клетка в связи с ускоренным размножением как бы освобождается от уже ненужных метаболических реакций. Некоторые специализированные ферменты, принимающие участие в функции нормальных тканей (аргипаза, каталаза, цитохромоксидаза, цитохром с, эстераза и др.), в опухолях отсутствуют, или их активность очень низка. Иными словами, нарушается или утрачивается специфический ферментный профиль. Например, в митохондриях с увеличением скорости роста гепатом Морриса появляется дефицит моноаминооксидазы на внешней мембране, аденилатциклазы в межмембранном пространстве и глутаматдегидрогеназы в матриксе. Аналогичные данные получены и для нормальной печени, регенерирующей после частичной гепатэктомии. Некоторые опухоли имеют митохондрии с недостатком одного или двух компонентов дыхательной цепи с дефицитом ферментов клеток крови.

При редукции метаболизма в ускоренно размножающихся клетках в реакциях катаболизма (распада) происходит снижение эффективности работы метаболической цепи в целом. В реакциях анаболических (синтеза) в условиях энергетического дефицита может происходить неполное завершение последовательности реакций и(или) переход к «крупноблочному строительству», т. е. утилизации высокомолекулярных недорасщепленных субстратов. Сокращение этапов синтетических процессов наиболее вероятно в условиях обостренной конкуренции за макроэргические соединения, выработка которых может затрудняться падением общей продуктивности митохондриального окислительного фосфорилирования при редукции митохондриального аппарата либо при внутритканевой гипоксии в далеко зашедших пролиферативных состояниях.

Так, есть некоторые экспериментальные доказательства возможности использования активно делящейся клеткой крупных блоков для синтеза ДНК. Например, в опухолевых клетках по сравнению с нормальными в десятки раз более активны ферментные системы, направляющие биосинтез нуклеотидов на энергетически выгодные пути утилизации готовых пуриновых и пиримидиновых оснований без предварительного их синтеза. Такой механизм может обеспечить клетке повышенную скорость обновления нуклеиновых кислот независимо от наличия простых предшественников энергоемкого синтеза азотистых оснований (из глицина, аспартата, глутамина, формиата, рибозы).

В то же время «крупноблочное строительство» может уменьшить эффективность репарации ДНК и увеличить накопление в ней ошибок. В быстро пролиферирующих тканях и опухолях низка активность не только деполимераз нуклеиновых кислот, но и ряда катаболических ферментов пиримидинового, пуринового и аминокислотного обмена. Создаются условия для снижения субстратной специфичности ферментов. Известны случаи замещения аминокислот в полипептидных цепях в процессе их синтеза, вероятность которых с усилением пролиферации нормальных клеток, как мы предполагаем, может повышаться.

Такие же замены аминокислот часто делают ферменты более чувствительными к тепловой денатурации. При этом доля термолабильной фракции белков возрастает. С другой стороны, термолабильная фракция ферментов обладает сниженной субстратной специфичностью и реагирует с аналогами субстратов с большей эффективностью, чем нормальные ферменты катализа.

Немногочисленные биофизические данные также свидетельствуют о существенной роли нарушений содержания элементов кальция, хлора, меди, йода, железа, магния, марганца, фосфора, калия, натрия, цинка и соотношений их концентраций в процессах пролиферации в дифференцировки и опухолевой трансформации.

По мнению ряда ученых, ключевая роль в этом процессе принадлежит ионам Mg²⁺. Удаление Mg²⁺ из среды инкубации сказывалось в торможении синтеза ДНК, а снижение концентрации Са²⁺ действовало на синтез только при одновременном четырехкратном уменьшении содержания Mg²⁺. Предполагается, что роль кальция в регуляции деления клеток опосредована магнием.

В настоящее время наибольшее признание имеет точка зрения, согласно которой модификация ферментов, участвующих в обмене циклических мононуклеотидов, и внутриклеточная концентрация последних являются одними из ранних реакций, связанных со стимулированием пролиферации или дифференцировки.

В различных нормальных и опухолевых клеточных популяциях и тканях отмечается общая направленность изменения циклазных систем при увеличении содержания пролиферирующих и дисдифференцированных клеток. Это увеличение отношений цГМФ/цАМФ, гуанилатциклаза/аденилатциклаза, цГМФ-зависимые протеинкиназы/цАМФ-зависимые протеинкиназы.

В нормальных дифференцированных тканях взрослых животных активность аденилатциклазной системы, как правило, существенно превышает активность гуанилатциклазной. С увеличением пролиферативной и особенно дисдифференцированной компонент клеток эти соотношения начинают возрастать в сторону гуанилатциклазной системы.

В связи с этим широко распространено мнение, что цАМФ участвует в фосфорилировании белков, отвечающих за специализированную функцию дифференцированной клетки, а цГМФ – за фосфорилирование белков, участвующих в пролиферации.

Для гепатом Морриса отмечена корреляция перечисленных изменений циклазных систем со скоростью роста. Интересны также данные о том, что гуанилатциклаза печени может стимулироваться некоторыми химическими канцерогенами.

Так называемые связанные сульфгидрильные (SH-) и дисульфидные (S—S-) группы находятся в белках благодаря наличию в них серосодержащих взаимопревращающихся аминокислот цистеина (SH-) и цистина (S—S-), а свободные группы (если не учитывать SH-группы свободных аминокислот) принадлежат в основном глутатиону.

Отмечено, что общеклеточный сдвиг равновесия групп SH↔SS влево стимулирует деление клеток, а смещение вправо – задерживает. В целом в клетках животных, растений и микроорганизмов для прохождения митоза необходима относительно высокая концентрация SH-групп.

Таким образом, в ряде случаев прослеживается положительная корреляция между общим содержанием SH-групп в клетках и интенсивностью их пролиферации. Существенный вклад в это увеличение, по-видимому, вносит и синтез de novo глутатиона.

Есть ряд данных, указывающих, что внутритканевое содержание убихинонов, токоферолов, некоторых стероидных гормонов, фосфолипидов и SH-содержащих белков при усиленной пролиферативной активности возрастает в нормальных и злокачественных клетках.

Концентрация водородных ионов (pH) внутри и вне клетки является фактором, регулирующим направленность и интенсивность множества внутриклеточных процессов.

Как в нормальных, так и в малигнизированных тканях в состоянии активной пролиферации нередко регистрируется снижение pH. Это особенно характерно для тех случаев, когда ускоренная пролиферация сопровождалась гипоксией и дисфункцией митохондриального аппарата, что способствует внутриклеточной аккумуляции метаболических кислот, например молочной кислоты. Измерения pH в раковых тканях показали, что они в среднем на 0.5 единиц pH имеют более кислую реакцию, чем нормальные ткани, хотя в отдельных случаях pH снижается на 1—2 единицы. Если нормальные клетки имеют внутриклеточный pH около 7,4, а раковые в обычных условиях ~7,0, то с усилением потребления последними глюкозы pH может достигать 5,8—6,0.

С интенсификацией клеточного деления и соответственно снижением степени дифференцировки клеток, как правило, уменьшаются электропроводность, теплопроводность, мембранный потенциал покоя, ионселективность плазматической мембраны, степень кальцификации, механическая прочность мембран, степень адгезии (прилипания) в системах «клетка+клетка», «клетка+подложка», контактное торможение деления, антиокислительная активность липидов, вязкость цитозоля и повышаются перекисное окисление липидов, способность белков и ДНК к денатурации, неспецифическая проницаемость мембран, подвижность органических молекул в мембране, электрофоретическая подвижность, диффузия веществ внутри клетки, гидрофильность мембран (степень гидратации), степень текучести, «разжижения» мембран.

Среди перечисленных характеристик нет ни одной, которую можно было бы строго доказательно отнести к специфическим признакам опухолевого роста. Все эти изменения обусловлены повышенной интенсивностью клеточной пролиферации. В условиях нормальной пролиферации они обратимы. Изменения не являются ведущими в опухолевой трансформации и в малигнизации, а служат функциональным отражением или сопутствующим фоном реакций исполнительного аппарата клетки в ответ на регулирующие пролиферацию сигналы и изменения окружающей ее среды.

То же самое можно сказать и в отношении морфологических изменений. Изменения, выявляемые различными методами световой и электронной микроскопии, обычно тем глубже, чем выше уровень пролиферативной активности и степень нарушения дифференцировки. При длительной интенсивной пролиферации повышается количество аномалий клеточного деления как в нормальных, так и в опухолевых тканях. Электронная плотность клеток и части их органелл (митохондрии, ядерного матрикса, цитозоля) обычно снижается в состоянии активной пролиферации. Объем ядра, ядрышек и ядерно-цитоплазматическое отношение часто значительно увеличиваются. Возрастает количество пор в ядерной мембране. Понижена степень конденсации хроматина. Расширяются эндоплазматические цистерны. Соответственно уменьшается число связанных рибосом и увеличивается количество свободных рибосом. Размеры полисом сокращаются. Пониженное содержание гранулярной сети в эмбриональных, регенерирующих и других тканях с интенсивным делением клеток отражает тот закономерный факт, что их клетки заняты собственным воспроизводством в большей степени, чем выполнением специализированных функций для удовлетворения внеклеточного функционального запроса в данный момент.

Это же обстоятельство объясняет снижение количества и размеров секреторных пузырьков и гранул, а также иногда наблюдаемую частичную редукцию секреторных структур аппарата Гольджи. Запасы резервных полимеров, капель липидов и особенно гранул гликогена в животных клетках резко истощаются. Эти морфологические наблюдения совпадают с биохимическими данными о существенной стимуляции гликолиза и липолиза при недостаточности соответствующих анаболических процессов.

В среднем может быть увеличено количество и размеры некоторых цитоплазматических включений: липофусциновых гранул, миэлиновых фигур, Бизаровых телец и т. д. Предполагается, в частности, что липофусциновые гранулы (каротиноксисомы) могут способствовать активации реликтовых путей поддержания энергетического и окислительного обмена в условиях ограничения функции митохондрий и развивающейся в связи с этим клеточной гипоксии. Известно появление так называемой токсической зернистости нейтрофилов при состояниях, сопровождающихся при токсических отравлениях лейкопенией с последующей стимуляцией лейкопоэза. Увеличение числа дегенеративных клеток характерно для абортивного подъема числа лейкоцитов при лучевой болезни, когда наблюдается первый пик регенерации лейкопоэза и предполагается укороченным митотический цикл бластных клеток. Тельца Бизара появляются в предлейкозный период, когда обычна гиперплазия эритроидного ростка костного мозга.

Претерпевают изменения и митохондрии: матрикс светлеет, часто объем их возрастает, количество крист уменьшается, содержание осмиофильных гранул повышается. Последнее обстоятельство имеет биохимическое подтверждение в увеличении количества внутримитохондриального кальция, что характерно как для регенерирующих, так и для опухолевых тканей. Относительно быстро истощается компенсаторный резерв окислительного фосфорилирования и становится невозможным его эффективное функционирование в связи с низким напряжением кислорода и по другим причинам. Митохондрии клеток быстро пролиферирующих тканей по сравнению с неделящимися более чувствительны к повреждению в различных неблагоприятных для клетки условиях.

Уменьшается степень связи клеток в ткани, о чем свидетельствует увеличение размеров межклеточных пространств, снижение числа и размеров щелевых мостиков и других структур межклеточных контактов. Сокращение межклеточных контактов совпадает с изложенными биофизическими данными. В далеко зашедших случаях хронической ускоренной пролиферации может происходить потеря контактного торможения деления клеток.

Важно обратить внимание на то, что в клетках, длительное время ускоренно размножающихся, уменьшается число специализированных выростов и выпячиваний плазматической мембраны, содержащих различные рецепторные комплексы на гормоны белковой природы, антигены, гормональные регуляторы и др. Этот признак является морфологическим отражением утраты клеткой многих поверхностных глюко– и протеоконъюгатов, падения чувствительности делящейся клетки к внешним регуляторным влияниям. Происходит относительная «регуляторная глухота», снижение чувствительности ко многим гормонам белковой природы, действующим на уровне внешней стороны плазматической мембраны.

Средняя картина морфологической перестройки клетки в связи с длительной интенсификацией деления характеризуется сокращением количества и объема мембранных структур, выполняющих специализированные функции в интересах целого организма, и одновременно усилением структур, непосредственно связанных с функцией деления. Клетка морфологически упрощается и становится более похожей на независимо существующий одноклеточный организм (рис. 5).

Все изложенное приближает изначально дифференцированную зрелую клетку к ее эволюционно более древним предкам. Сокращение общей площади мембран клетки сочетается с биохимическими и биофизическими данными о нарушении интегральных функций мембран и связанных с ними структур и первичных регуляторных процессов.

Рис. 5. Цитологическая перестройка «идеальной» животной клетки при переходе от состояния «покоя» (специфической функции в дифференцированном состоянии) к пролиферации (снижению специфической функции и дисдифференцировке)

1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – хроматин; 4 – митохондрии; 5 – лизосомы; 6 – микротельца; 7 – секреторные пузырьки; 8 – агранулярный эндоплазматический ретикулум; 9 – гранулярный эндоплазматический ретикулум; 10 – гранулы гликогена; 11 – капли липидов; 12 – свободные рибосомы; 13 – связанные рибосомы; 14 – полисомы; 15 – гранулы неорганических веществ; 16 – центриоль; 17 – микроворсинки; 18 – межклеточные контакты; 19 – межклеточные пространства; 20 – базальная мембрана

Способность к пролиферации – древнейшее свойство клеточного уровня организации биологических систем. Специфические функции клетки, возникшие в ходе дифференцировки у многоклеточных организмов, относятся к более поздним эволюционным приобретениям. Эти функции связаны с разделением обязанностей и специализацией отдельных клеток в интересах целого организма.

Переход клетки и ткани от выполнения специализированной функции в системе целостного организма, т. е. от дифференцированного состояния, к снижению дифференцировки и усилению пролиферации означает переход на эволюционно более древние и более устойчивые пути метаболизма. Обнаружение в активно или длительно пролиферирующих тканях каких-либо эмбриональных свойств (ферментов, антител и т. п.) следует рассматривать как проявление эволюционно-древних признаков.

Ошибки синтеза белка при усилении пролиферативной активности ткани

В процессе канцерогенеза могут появляться не характерные для данной нормальной ткани белки, изменяться спектры изоферментов и антигенов, что и используется для ранней диагностики опухолевых заболеваний. Однако указанные изменения оказались не строго специфичными, поскольку аналогичные белки, их модификации и аналогичные изменения спектров изоферментов и антигенов характерны как для периода эмбрионального развития, так и для периодов длительной и значительной активации размножения клеток нормальной ткани.

Так, открытие в свое время α-фетопротеина как специфического ракового белка оказалось ошибочным. Позднее он был обнаружен и в нормальных тканях в случаях стимулированной пролиферации.

В этих случаях также изменяется соотношение изоформ белков, что отражается в изменении, например, спектра гемоглобинов и спектра изоферментов. Изменяется и антигенная характеристика белков. Важно, что имеются общие особенности всех указанных изменений.

1. Эти изменения приводят к качественному подобию спектров изоформ белка нормальной ткани в состоянии активной пролиферации и нормальной регенерирующей ткани к спектрам изоформ белка эмбриональной и активно растущей злокачественной ткани. Такое же подобие наблюдается и по спектру антигенов.

2. Указанные изменения в нормальной ткани возникают вслед за стимуляцией пролиферативной активности и исчезают, как только пролиферативная активность нормализуется. Это не зависит от типа ткани.

3. Указанные изменения происходят и при воздействиях физических факторов на организм человека и животных, но только в тех случаях и в то время, когда происходит усиление пролиферативной активности ткани. Новые белки в этом случае, как правило, не появляются, но может происходить их модификация.

Следовательно, во всех указанных случаях можно говорить прежде всего о генетической регуляции, о процессах репрессии – дерепрессии определенных локусов генома в зависимости от состояния клетки, об однотипности и неспецифичности процессов генной регуляции для разных тканей организма и при воздействии разных факторов, вызывающих состояние активной пролиферации ткани. Указанные изменения не требуют возникновения мутации, т. е. изменений в структурных генах. Необходимые процессы генной регуляции синтеза белка описаны достаточно подробно во многих руководствах, и на них мы останавливаться не будем.

Однако механизмы возможной связи между изменением пролиферативной активности и изменением изоформ белков не ясны. В связи с изложенным следует рассмотреть ошибки рибосомального синтеза, не связанные и связанные с генетической регуляцией. Особое внимание было обращено на тот факт, что закономерные ошибки рибосомального синтеза белка обнаруживаются и в опытах in vitro в бесклеточной среде при отсутствии генной регуляции.

Наиболее распространенное мнение о механизме работы рибосомы предполагает, что рибосома, состоящая из двух неравных субчастиц, ползет по матричной РНК от 5'-конца к 3'-концу, считывает информацию об аминокислотной последовательности и присоединяет соответствующие аминокислоты в полипептидную цепь. При этом малая субчастица рибосомы осуществляет контакт с мРНК. Полипептидная цепь собирается на особых центрах большой субчастицы. При этом механизм сборки полипептида, динамика процесса остаются неясными.

А. С. Спирин и Л. П. Гаврилова предложили свою схему строения рибосомы, которая лучше соответствует наблюдаемым фактам, вскрывает движущие силы и механизм работы рибосомы. В основу положено разделение функций между субчастицами: большой отведена роль полимерного носителя, удерживающего последовательно наращиваемый пептид, а малой субчастице – роль «подносчика» аминокислот. Обе субчастицы соединены подвижным шарниром и связаны с одной и той же матрицей. Выделен рабочий цикл рибосомы, состоящий из пяти «шагов». Сначала «подносчик» связывается с мРНК, отодвигается от носителя (рибосома открывается) и вылавливает из цитоплазмы аминоацилтранспортную РНК, соответствующую очередному кодону матрицы. Пока рибосома открыта, совершается перебор соответствия кодонов антикодонам и, следовательно, правильного выбора очередной аминокислоты. Когда аминокислота выбрана, рибосома закрывается и приводит аатРНК в контакт с наращиваемым полипептидом и очередная аминокислота (точнее, ее остаток) занимает свое место в цепи, а освобожденная тРНК уходит в цитоплазму и находит себе новую молекулу этой же аминокислоты. Периодическое размыкание и смыкание рибосомальных субчастиц является приводным механизмом, обеспечивающим все перемещения тРНК, мРНК и аминокислот в процессе синтеза пептидной цепи.

Каждому кодону мРНК соответствует антикодон на аатРНК. Каждый кодон состоит из триплета нуклеотидов (разные сочетания урацила, аденина, цитозина и гуанина). Каждая из 20 аминокислот имеет характерные только для нее кодоны (табл. 3). Например, тирозин кодируется следующими кодонами: УАУ (урацил—аденин—урацил) и УАЦ (урацил—аденин—цитозин). Метионин кодируется одним кодоном, в то время как ряд других аминокислот – большим числом, например шестью кодонами (лейцин, серин, аргинин). Для каждой аминокислоты все кодирующие ее кодоны равнозначны.

Рибосомальный синтез белка оказался чрезвычайно устойчивым к непосредственному действию радиации. Однако его интенсивность очень чувствительна к регуляторным влияниям организма.

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)

		(УУУ, УУЦ) Фенилалацин; (УУА, УУГ) Лейцин	(УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ) Серин	(УАУ, УАЦ) Тирозин; (УАА) —; (УАГ) —	(УГУ, УГЦ) Цистеин; (УГА) —; (УГГ) Триптофан
		(ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ) Лейцин	(ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ) Пролин	(ЦАУ, ЦАЦ) Гистидин; (ЦАА, ЦАГ) Глютаминовая кислота	(ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ) Аргинин
		(АУУ, АУЦ, АУА) Изолейцин; (АУГ) Метионин	(АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ) Треонин	(ААУ, ААЦ) Аспарагиновая кислота; (ААА, ААГ) Лизин	(АГУ, АГЦ) Серин; (АГА, АГГ) Аргинин
		(ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ) Валин	(ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ) Аланин	(ГАУ, ГАЦ) Аспарагин; (ГАА, ГАГ) Глютамин	(ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ) Глицин

Таблица 4. Принципиально возможные ошибки чтения кодонов, обнаруженные в экспериментах in vitro в бесклеточной среде на синтетических матрицах

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)

Следовательно, изменение ионной среды рибосомы значительно влияет на частоту аминокислотных замен при синтезе белка. Важно также, что сочетание разных ионов может взаимно усиливать или ослаблять это влияние. Кроме ионов, спонтанный уровень ошибок включения аминокислот в пептидную цепь могут изменять сдвиги pH, температура, этанол и другие изменения в среде, окружающей рибосому.

Выяснено, что при таких ошибках в пептидную цепь включаются не случайные аминокислоты, а ближайшие по кодовой специфичности. Так, в экспериментах вместо фенилаланина чаще всего включается на полиуридиновой матрице УУУ лейцин, кодируемый кодонами ЦУУ, УУА, УУГ и др. (табл. 4). Это ошибка в прочтении одного из нуклеотидов. Реже всключались изолейцин (АУУ), серин (УЦУ), тирозин (УАУ) и валин (ГУУ), хотя в этих случаях была также ошибка лишь по одному нуклеотиду. Более частое замещение на лейцин связано с тем, что из всех теоретически возможных однонуклеотидных замен в кодоне УУУ три варианта приходятся на лейцин и по одному варианту на изолейцин, тирозин, валин и цистеин. Остальные аминокислоты могут включаться вместо фенилаланина только в случае замен двух нуклеотидов в кодоне и при нарушении в последовательности их узнавания, что встречается очень редко.

Описаны случаи нарушений по типу сдвига рамки чтения, когда нуклеотиды в кодоне читаются те же, но в иной последовательности. Например, на матрице ЦАУ ЦАУ ЦАУ (гистидин) считывание может начаться со второго или третьего нуклеотида. Тогда вместо гистидина включается изолейцин (АУЦ) или серин (УЦА).

Рис. 6. Схема, поясняющая возможные механизмы увеличения ошибок рибосомального синтеза белка при ускоренном ритме клеточного деления и отсутствии нарушений во всех звеньях аппарата синтеза белка

Главным условием правильного узнавания кодона является достаточное время экспонирования кодона, т. е. длительность периода разомкнутого состояния субчастиц рибосомы. Чем короче время экспонирования кодона, тем меньше времени на узнавание кодона, осуществляемое путем перебора антикодонов на аминоацилтранспортных РНК по законам стохастики, и тем больше вероятность ошибочного подбора антикодона и включения ошибочной, но близкой по кодовой специфичности аминокислоты (рис. 6).

Изложенные особенности работы рибосомы были выявлены в модельных опытах на рибосомном ассоциате субчастиц в условиях так называемой бесфакторной трансляции. В условиях, более приближенных к естественной работе рибосомы, процесс сборки пептидной цепи на искусственной матрице ускоряется и количество ошибок возрастает.

Общепринято суждение о том, что закономерности, полученные на модельных бесклеточных системах, справедливы и для процесса синтеза белка в живой клетке.