Биохимики из Гарварда построили математическую модель, которая связывает строение рибосомы со скоростью удвоения этой органеллы. Выяснилось, что состав рибосом у бактерий отвечает принципу максимально быстрого самовоспроизводства, что позволяет бактериям быстро делиться. Митохондриальные рибосомы, напротив, в самовоспроизводстве не задействованы, поэтому по составу значительно отличаются от бактериальных. Статья с выкладками опубликована в журнале Nature.

Рибосомы — это клеточные органеллы, которые занимаются синтезом белка, транслируя генетический код матричных РНК в аминокислоты. У всех живых организмов рибосомы принципиально устроены одинаково — несколько больших молекул рибосомной РНК выполняют роль остова, на котором расположено множество маленьких рибосомных белков. Несмотря на унифицированное строение и принцип работы, у бактерий, архей и эукариот рибосомы отличаются по размеру, количеству и массе компонентов. К примеру, бактериальная рибосома меньше по размеру, содержит три молекулы РНК и в среднем 55 разных белков. Эукариотическая рибосома больше бактериальной, содержит четыре молекулы РНК и 80 белков.

Рибосомы в составе полисомы. Brandt et al., / Cell 2009

Скорость работы рибосом – очень важный фактор, определяющий в конечном итоге время удвоения клетки, ведь рибосома производит буквально все белковые компоненты. Воспроизводство рибосом также ложится на плечи других рибосом — исключение составляют рибосомы, которые входят в состав митохондрий. Для них структурные белки синтезируются органеллами, расположенными в цитоплазме клетки-«хозяина». Ученые подсчитали, что 20 процентов всего «рабочего времени» рибосома тратит на самовоспроизводство, то есть синтез рибосомных белков, а также молекул РНК-полимеразы, которая синтезирует новые молекулы рибосомных РНК.

Ставка на РНК позволяет увеличить скорость воспроизводства рибосом. График показывает, что с увеличением белковой компоненты, скорость генерации новых рибосом снижается. Reuveni et al., / Nature

Молекулярные биологи предположили, что высокая скорость работы, а значит, и самовоспроизводства, должна отразиться на составе органелл. К примеру, время синтеза отдельных компонентов будет меньше, если в состав рибосомы входит много коротких белков, а не один-два длинных. Авторы рассчитали, что оптимальное количество белков, позволяющее собрать рибосому максимально быстро, лежит в диапазоне от 40 до 85. Действительно, для бактерий это значение равно 55. Эукариотические рибосомы с 80 белками уже близки к верхней границе эффективности, за которой такие факторы как нарушение эквимолярности компонентов и низкая эффективность инициации трансляции начинают снижать скорость воспроизводства.

Средняя длина рибосомного белка у бактерий составляет 130 аминокислот, в то время как средняя длина полипептида в клетке в целом — больше 300 аминокислот. Укороченные белки не только позволяют быстро завершать их синтез, но и избавляют от ошибок, происходящих по ходу трансляции. Что касается рибосомной РНК, согласно модели, клетке выгоднее синтезировать одну большую молекулу, а не множество маленьких — так рибосому проще собрать. В реальности рибосомы состоят из нескольких молекул РНК, но авторы отмечают, что у бактерий, к примеру, они синтезируются в виде одного большого предшественника, который впоследствии разрезается.

Так как РНК синтезировать проще и быстрее, чем белки, для скорейшего самовоспроизводства рибосомы, РНК должна составлять большую ее часть. Действительно, в самых «скоростных» бактериальных рибосомах РНК составляет 70–80 процентов, а в составе митохондриальных рибосом — только 20 процентов.

Состав рибосом отражает их способность к самовоспроизводству. Бактериальная и эукариотическая рибосомы менее чем наполовину состоят из белков (синий цвет), а митохондриальная состоит из белка на 80 процентов. Reuveni et al., / Nature

Ранее мы писали о том, что воспроизводство рибосом накладывает ограничения не только на скорость деления клетки, но и на ее размер. К примеру, если бактериальная клетка будет наращивать размеры, сохраняя тот же самый темп деления, довольно скоро она просто не сможет вместить все необходимые ей рибосомы. Новая работа демонстрирует, что увеличение размеров и усложнение организации клеток привело к эволюции рибосом, которые также стали крупнее и более сложно устроены, однако при этом потеряли в скорости.

Автор: Дарья Спасская