Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида
Дан общий теоретический анализ стационарной кинетики трансляции природной мРНК. Получены уравнения зависимости скорости образования белкового продукта от концентрации рибосом, кинетических характеристик считывания отдельных кодонов матрицы. С учетом выявленных особенностей трансляции мРНК в составе...
Gespeichert in:
| Datum: | 1986 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1986
|
| Schriftenreihe: | Биополимеры и клетка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/152712 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида / А.П. Потапов, А.В. Ельская // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 2. — С. 88-92. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-152712 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1527122025-02-09T14:37:55Z Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида Трансляція природних мРНК. 1. Загальний кінетичний аналіз процесу трансляції мРНК одного виду Natural mRNA translation. I. General kinetic analysis of the process of one mRNA species translation Потапов, А.П. Ельская, А.В. Клеточная биология Дан общий теоретический анализ стационарной кинетики трансляции природной мРНК. Получены уравнения зависимости скорости образования белкового продукта от концентрации рибосом, кинетических характеристик считывания отдельных кодонов матрицы. С учетом выявленных особенностей трансляции мРНК в составе полирибосомных комплексов сделан вывод о важности полирибосомной организации аппарата трансляции для создания высокой чувствительности систем белкового синтеза к регуляторным воздействиям. Зроблено загальний теоретичний аналіз стаціонарної кінетики трансляції природної мРНК. Отримано рівняння залежності швидкості утворення білкового продукту від концентрації рибосом, кінетичних характеристик зчитування окремих кодонів матриці. З урахуванням виявлених особливостей трансляції мРНК у складі полірибосомних комплексів зроблено висновок про важливість полірибосомної організації апарату трансляції для створення високої чутливості систем білкового синтезу до регуляторних впливів. Steady-state kinetics of natural mRNA translation is theoretically analyzed. Equations are obtained for describing dependence of the total rate of cistron translation on the specific rates of each codon reading. The limited capacity of mRNA for ribosomes is shown to limit the increase of the total translation rate. Vmax depends on the sequence of mRNA codons and specific rates of codon reading. For the polyribosomal system, whose total translation rate is close to Vmax, the dependence of the total rate on specific rates of codon reading may be significantly stronger than that for the monoribosomal system. Thus, polysomal organization of the translation apparatus is suggested to be of importance for providing high susceptibility of the translation system to the regulatory factors. 1986 Article Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида / А.П. Потапов, А.В. Ельская // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 2. — С. 88-92. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0001A1 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/152712 577.2.01:577.217.36 ru Биополимеры и клетка application/pdf Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Клеточная биология Клеточная биология |
| spellingShingle |
Клеточная биология Клеточная биология Потапов, А.П. Ельская, А.В. Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида Биополимеры и клетка |
| description |
Дан общий теоретический анализ стационарной кинетики трансляции природной мРНК. Получены уравнения зависимости скорости образования белкового продукта от концентрации рибосом, кинетических характеристик считывания отдельных кодонов матрицы. С учетом выявленных особенностей трансляции мРНК в составе полирибосомных комплексов сделан вывод о важности полирибосомной организации аппарата трансляции для создания высокой чувствительности систем белкового синтеза к регуляторным воздействиям. |
| format |
Article |
| author |
Потапов, А.П. Ельская, А.В. |
| author_facet |
Потапов, А.П. Ельская, А.В. |
| author_sort |
Потапов, А.П. |
| title |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида |
| title_short |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида |
| title_full |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида |
| title_fullStr |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида |
| title_full_unstemmed |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида |
| title_sort |
трансляция природных мрнк. i. общий кинетический анализ процесса трансляции мрнк одного вида |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| publishDate |
1986 |
| topic_facet |
Клеточная биология |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/152712 |
| citation_txt |
Трансляция природных мРНК. I. Общий кинетический анализ процесса трансляции мРНК одного вида / А.П. Потапов, А.В. Ельская // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 2. — С. 88-92. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Биополимеры и клетка |
| work_keys_str_mv |
AT potapovap translâciâprirodnyhmrnkiobŝijkinetičeskijanalizprocessatranslâciimrnkodnogovida AT elʹskaâav translâciâprirodnyhmrnkiobŝijkinetičeskijanalizprocessatranslâciimrnkodnogovida AT potapovap translâcíâprirodnihmrnk1zagalʹnijkínetičnijanalízprocesutranslâcíímrnkodnogovidu AT elʹskaâav translâcíâprirodnihmrnk1zagalʹnijkínetičnijanalízprocesutranslâcíímrnkodnogovidu AT potapovap naturalmrnatranslationigeneralkineticanalysisoftheprocessofonemrnaspeciestranslation AT elʹskaâav naturalmrnatranslationigeneralkineticanalysisoftheprocessofonemrnaspeciestranslation |
| first_indexed |
2025-11-26T22:58:29Z |
| last_indexed |
2025-11-26T22:58:29Z |
| _version_ |
1849895591676477440 |
| fulltext |
Клеточная
биология
УДК 577.2.01:577.217.36
ТРАНСЛЯЦИЯ ПРИРОДНЫХ мРНК.
I. ОБЩИЙ КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА
ТРАНСЛЯЦИИ мРНК ОДНОГО ВИДА
А. П. Потапов, А. В. Ельская
Ввиду многокомпонентности природных систем белкового синтеза ско-
рость образования белка на рибосомах является сложной функцией
концентраций десятков компонентов, изменением содержания которых
можно регулировать ход процесса [1—3]. Важной особенностью транс-
ляции мРНК является то, что для прочтения каждого из кодонов тре-
буется свой специфический адаптор. Поэтому эффективность считыва-
ния различных кодонов матрицы может варьировать в значительных
пределах, оказывая определенное влияние на скорость образования
белкового продукта трансляции всего цистрона в целом [4—6J. Каче-
ственный характер зависимости скорости функционирования системы
белкового синтеза от концентраций различных ее составляющих, эф-
фективности считывания отдельных кодонов понятен [1—3]. Однако
конкретный количественный вид этой взаимосвязи неизвестен.
В настоящей работе дан общий теоретический анализ стационар-
ной кинетики трансляции природной мРНК. С помощью метода на-
правленных графов получены уравнения зависимости скорости образо-
вания белкового продукта от концентрации рибосом, кинетических
характеристик считывания отдельных кодонов матрицы. С учетом вы-
явленных особенностей трансляции мРНК в составе полирибосомных
комплексов сделан вывод о важности полирибосомной организации
аппарата трансляции для создания высокой чувствительности систем
белкового синтеза к регуляторным воздействиям.
Уравнение стационарной скорости трансляции мРНК
Процесс трансляции моноцистронной мРНК какого-то определенного
вида может быть представлен ферментативной реакцией, протекающей
с образованием η ферментных комплексов, где η — число звеньев син-
тезируемой белковой цепи. В условиях стационарности кинетика транс-
ляции может быть исследована методом направленных графов, пред-
ложенным для анализа кинетических свойств сложных ферментативных
систем [7].
Граф процесса трансляции мРНК приведен на рис. 1. Узлы графа
соответствуют кодонам мРНК в порядке их считывания рибосомами.
Узел 1 соответствует инициаторному кодону, узел 0 — терминаторному
кодону; Ρ — конечный белковый продукт трансляции; г і — стационар-
ная концентрация рибосом, считавших і кодонов и находящихся в
положении считывания (І+1)-ГО кодона; г0 — стационарная концентра-
ция свободных рибосом, участвующих в считывании 1-го кодона (не-
смотря на постоянное перемещение рибосом по матрицам, картина их
общего распределения по узлам графа для достаточно большого числа
молекул мРНК и рибосом, согласно условию стационарности, должна
оставаться неизменной); и*—удельная скорость считывания і-то ко-
88 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, .V? 2
дона, определяемая как скорость прочтения этого кодона при 1 Μ
концентрации считывающих его рибосом. Vi — функция, зависящая от
концентрации соответствующей аминоацил-тРНК, белковых факторов
трансляции с GTP, ионного состава среды и т. д.
Согласно теории направленных графов [7], стационарная скорость
образования белкового продукта Ρ в подобной системе описывается
уравнением
которое может быть приведено к более простому и удобному виду
(2)
Первый сомножитель справа — кон-
центрация всех рибосом системы,
второй — не что иное, как удельная
скорость прочтения мРНК.
Отсюда вытекают два различ-
ных способа регуляции скорости
трансляции: 1) изменением произ-
водительности отдельной рибосомы;
2) изменением концентрации рабо-
тающих рибосом. Оба способа име-
ют свои характерные особенности.
Рис. 1. Граф процесса трансляции мРНК.
Fig. 1. A graph of mRNA translation process.
Рис. 2. Зависимость средней скорости трансляции кодонов цистрона, vav, от α и часто-
ты встречаемости «аномального» кодона ( f=0,001; 0,01; 0,1; 0,5; 0,7; 0,9).
Fig. 2. Dependence of the average rate of codon reading (v a v) on α and «unusual» codon
frequency (f) in mRNA (/=0.001; 0.01; 0.1; 0.5; 0.7; 0.9).
Стратегия изменения средней удельной скорости трансляции
Введем в рассмотрение среднюю удельную скорость трансляции по-
следовательности кодонов мРНК, Vav> под которой будем подразумевать
удельную скорость считывания усредненного кодона:
Рассмотрим зависимость υαν от V{ отдельных кодонов. В случае,
когда удельные скорости Прочтения всех КОДОНОВ одинаковые Vi=V, Vav
БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № 2 89
С учетом уравнения (2) получаем, что vav должна быть средней гармо-
нической удельных скоростей трансляции индивидуальных кодонов
Видно (рис. 2), что средняя удельная скорость трансляции кодонов
изменяется в различной степени при ускорении или торможении транс-
ляции такого кодона. При малых f с увеличением а в области α > 1
Vav растет слабо, тогда как с уменьшением а в области α < 1 — быс-
тро убывает. При больших / качественная картина асимметрии откли-
ка Vav на ускорение или торможение считывания указанного кодона
сохраняется, однако зависимость vav от а заметно усиливается. При
малых и больших f в соответствии с принципом «узкого места» кине-
тика трансляции мРНК во многом определяется характеристиками
«медленных» кодонов. Отсюда, в частности, следует, что значительное
увеличение средней удельной скорости трансляции не может быть обе-
спечено последовательной стимуляцией считывания одного или немно-
гих кодонов. Как только кодон (ы) перестанет быть «медленным» по
сравнению с другими кодонами, он перестанет лимитировать процесс
считывания и влиять на скорость трансляции. Прогрессивный рост ναυ
возможен лишь при согласованном увеличении всех V{.
Стратегия изменения концентрации рибосом
Из уравнения (2) следует, что скорость синтеза белкового продукта
прямо пропорциональна общей концентрации рибосом. Однако оче-
видно, что стимуляция V за счет роста концентрации рибосом имеет
верхний предел, определяемый емкостью мРНК для рибосом. Так, на-
пример, стационарная концентрация рибосом в любом узле (гг) в прин-
ципе не может быть большей молярной концентрации мРНК, т { г ^ т ) .
Исключение составляет лишь узел 0 с соответствующим ему пулом сво-
бодных рибосом.
Реальный предел роста V может наступать значительно раньше.
Рассмотрим пропускную способность участка матриц от /-го до ( /+ / ) -
го узла, где I — число кодонов, занимаемых рибосомой на мРНК. Ло-
кальная нагруженность матриц рибосомами на таком участке не может
превосходить 2т:
Верхний же предел скорости трансляции всей мРНК определится наи-
90 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, .V? 2
В условиях стационарности поток рибосом через все узлы графа
есть величина постоянная:
Отсюда концентрация рибосом на участке от /- до / + / связана с кине-
тическими параметрами системы следующим образом:
Объединяя выражения (6) и (8), получаем:
тоже равна ν. При появлении в составе цистрона «аномального» кодона
с иной удельной скоростью прочтения av (а — коэффициент пропорцио-
нальности; α>1—«ускоренный» кодон, а < 1 — «заторможенный» ко-
дон) Vav станет отличной от v. Если такой кодон встречается в цис-
троне а раз и, следовательно, частота его встречаемости в данной
мРНК составляет f=a/n+1y из уравнения (4) имеем
меньшим из пределов для различных ее участков:
( 1 0 )
Из уравнения (10) вытекает ряд важных следствий. 1. Верхний
предел скорости трансляции, Ушах, прямо пропорционален концентра-
ции мРНК, т . 2. Длина рибосомы на матрице, /, существенно влияет
на величину Ушах. Согласно уравнению (10), с увеличением параметра
1 (рост числа слагаемых в знаменателе правой части (10)) Vmax быстро
убывает по закону, близкому к гиперболическому. Исходя из протя-
женности участков мРНК, защищаемых рибосомами от РНКаз [8—10],
/ должна быть величиной не менее десяти кодонов. Следовательно, ука-
занные ограничения I/max М О Г у т быть В е с ь м а значительными. 3. Vmax
зависит не только от набора, но и от последовательности кодонов в
мРНК, определяющей их сочетание в блоки из / кодонов. 4. Изменяя
некоторые viy можно изменить пропускную способность участка матри-
цы и всей мРНК в целом. При ЭТОМ ЗавИСИМОСТЬ Vmax ОТ V{ (10) ДЛЯ
полирибосом существенно сильнее зависимости I/ ОТ Vi (2) для моно-
рибосом. 5. Ушах определяется самым «медленным» участком мРНК из
/ КОДОНОВ. Поэтому совсем не обязательна зависимость Vmax от наибо-
лее «медленного» кодона. Скоростьлимитирующие качества последне-
го в этом случае существенным образом зависят от ближайшего ко-
донового окружения, контекста в составе мРНК. Самый «медленный»
участок матрицы может быть образован не самыми «медленными»
кодонами, каждый из которых в составе такого участка в полирибо-
соме может становиться скоростьлимитирующим. 6. При наличии в
мРНК нескольких «медленных» КОДОНОВ ОДНОГО ИЛИ разных ВИДОВ Vmax
может зависеть от характера их распределения по матрице. Наимень-
шее значение Vmax соответствует их группированию в кластер из I
кодонов.
Обсуждение
Регуляция скорости белкового синтеза может быть осуществлена из-
менением удельных скоростей считывания кодонов, концентрации ри-
босом и самой мРНК. Как следует из вышеприведенного анализа, эти
способы воздействия на систему трансляции взаимосвязаны и допол-
няют друг друга.
При малых заполнениях мРНК рибосомами, когда трансляция
может осуществляться только монорибосомными комплексами, ско-
рость процесса не зависит от последовательности кодонов, а опреде-
ляется лишь их набором.
Процесс лимитирован удельными скоростями прочтения самых
«медленных» кодонов, изменяя скорости прочтения которых можно в
соответствии с модуляторной гипотезой Эймса и Хартмана [4] изме-
нять скорость синтеза белкового продукта.
С увеличением заполнения мРНК рибосомами, благодаря большим
линейным размерам последних, возникает возможность «натыкания»
рибосом полисомного комплекса друг на друга, что и определяет конеч-
ную пропускную способность матрицы. Проявляется это в появлении
верхнего предела скорости трансляции, Vmax, который зависит от после-
довательности кодонов и удельных скоростей их считывания. В поли-
рибосомной системе трансляции, функционирующей в режиме, близком
к режиму Vmax, модуляция скорости процесса изменением удельной
скорости считывания одного или немногих кодонов может быть суще-
ственно глубже таковой для монорибосомной системы. При этом эф-
фективность модуляции становится функцией, зависящей от свойств
группы кодонов, т. е. набора концентраций определенных аминоацил-
тРНК. мРНК с одинаковым составом, но различной последователь-
ностью кодонов в этих условиях должны проявлять себя по-разному,
91 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, .V? 2
что исключено в случае их трансляции в составе монорибосомных ком-
плексов.
Фиксация рибосом полирибосомных комплексов на мембранах эн-
доплазматической сети, по-видимому, может приводить к усилению эф-
фекта взаимодействия между рибосомами комплекса. При возникно-
вении натяжения между двумя закрепленными на мембране рибосо-
мами возникает ситуация, во многом аналогичная ситуации «натыка-
ния», но в отсутствие прямого контакта между рибосомами. Формально
это равносильно увеличению /. Отсюда регуляция биосинтеза белка на
мембраносвязанных полирибосомах сравнительно со свободными по-
лирибосомами может характеризоваться рядом дополнительных осо-
бенностей.
Из сказанного вытекает, что полирибосомная организация аппа-
рата трансляции обладает двумя несомненными кинетическими досто-
инствами. Во-первых, она увеличивает скорость образования белкового
продукта, во-вторых, создает условия для обеспечения повышенной чув-
ствительности системы трансляции к разнообразным регуляторным воз-
действиям. Последнее представляется немаловажным в плане обсуж-
даемой возможности регуляции процесса изменением концентрации
модуляторных тРНК [4—6].
NATURAL mRNA TRANSLATION.
I. GENERAL KINETIC ANALYSIS OF THE PROCESS
OF ONE mRNA SPECIES TRANSLATION
A. P. Potapov, Α. V. Elskaya
Institute of Molecular Biology and Genetics,
Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, Kiev
S u m m a r y
Steady-state kinetics of natural mRNA translation is theoretically analyzed. Equations
are obtained for describing dependence of the total rate of cistron translation on the spe-
cific rates of each codon reading. The limited capacity of mRNA for ribosomes is shown
to limit the increase of the total translation rate. Vmax depends on the sequence of mRNA
codons and specific rates of codon reading. For the polyribosomal system, whose total
translation rate is close to Ушах, the dependence of the total rate on specific rates of co-
don reading may be significantly stronger than that for the monoribosomal system. Thus,
polysomal organization of the translation apparatus is suggested to be of importance for
providing high susceptibility of the translation system to the regulatory factors.
1. Спирин А. СГаврилова JI. П. Рибосома.— Μ. : Наука, 1971 —254 с.
2. Lengyel P. The process of translation: a bird's-eye view / / Ribosomes.— New York:
Cold Spring Harbor Lab., 1974.—P. 13—52.
3. Шапвиль ΦЭнни A.-JI. Биосинтез белка.—Μ. : Мир, 1977.—316 с.
4. Ames В., Hartman P. The histidine operon / / Cold Spring Harbor Symp. Quant. Bi-
ol.—1963.—28.—P. 349.
5. Транспортные рибонуклеиновые кислоты / Г. X. Мацука, А. В. Ельская, Μ. И. Ко-
валенко, А. И. Корнелюк.—Киев : Наук, думка, 1976—219 с.
6. Остерман JI. А. Регуляторная функция тРНК в биосинтезе белка / / Успехи соврем,
биологии.— 1977.—83, № 1.—С. 3—22.
7. Volkenstein Μ. V., Goldstein Β. Ν. A new method for solving the problems of the
stationary kinetics of enzymological reactions / / Biochim. et biophys. acta.— 1966.—
115, N 2.—P. 471—477.
8. Takanami ΜZubay G. An estimate of the size of the ribosomal site for messenger
RNA binding / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA.— 1964.—51, N 2.—P. 834—839.
9. Castles /. /., Singer M. F. Degradation of polyuridylic acid by ribonuclease 2: pro-
tection by r ibosomes / / J . Мої. Biol.—1969.—40, N 1.—P. 1—17.
10. Steitz /. Α., Bryan R. A. Two ribosome binding sites from gene 03 messenger RNA
of bacteriophage 7 7 / / Ibid.— 1977.—114, N 4.—P. 527—543.
Ин-т молекуляр. биологии и генетики АН УССР, Киев Получено 26.06.85
92 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, .V? 2
|