Трансляция, модель молекулярного уровня.

Трансляция – это синтез белков на матричной РНК. Каждая тройка звеньев мРНК кодирует в основном одну из, примерно, 20 аминокислот. Надо найти механизм, который бы анализировал тройки (кодоны) мРНК, находил требуемые для них аминокислоты и соединял эти аминокислоты пептидными связями.

После обработки всех кодонов получится линейная пептидная цепь, иначе – молекула белка. Дальше белок освобождается от матрицы и затем сам сворачивается в нужную форму. Какой же механизм трансляции предлагает молекулярная биология. Возьмем данные из вышеуказанной статьи “Лекция №5. Синтез ДНК, РНК и белков”.

Как сказано в “Лекции…”:

“Она [трансляция] проводится рибосомами. Рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой”.

Транскрипция тоже осуществлялась субчастицами, образующими комплекс, названный холоферментом.

“Каждая субчастица состоит из нескольких десятков белков… Белки в рибосоме держатся на каркасе, состоящем из рибосомной РНК. Формирование рибосомы начинается с того, что рибосомная РНК сворачивается и на нее в определенном порядке начинают налипать белки”.

Более подробно о процессе формирования рибосомы рассказано в статье “Рибосома” Википедии.

“Схема синтеза рибосом в клетках эукариот.
1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК(45S - предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию”.

Описанная схема, изображенная графически, выглядит так.

Попытаемся понять, что же объясняет нам данная схема.

1. Первым делом возникает вопрос: чем синтез рибосомных белков отличается от синтеза обычных белков? Если процесс синтеза одинаков, то у нас изначально готовая рибосома и дальнейшая ее модификация не требуется. Если процесс синтеза рибосомных белков какой-то особый, то в чем он отличается от обычного синтеза. Рибосомные белки состоят из тех же 20 аминокислот, что и другие белки, или они состоят из чего-то другого? Или это какая-то недозрелая рибосома? Тогда для избегания путаницынедозрелую рибосому следовало бы назвать по-другому или хотя бы добавить номер.
2. Какие силы экспортируют мРНК из ядра в цитоплазму клетки? Почему мРНК не плавает рядом с ДНК, хаотически сталкиваясь с другими молекулами, а устремляется к своему окошку в оболочке ядра? Почему она стремится к рибосоме, а не к другому органоиду клетки?
3. Как рибосома узнала, что это рибосомный ген, а не ген тубулина или кератина, если это не рибосомный белок? Что у рибосомных генов другой ТАТА-бокс? Чтобы что-то узнать следует от него получить какую-нибудь информацию. Какие сигналы может подавать рибосомный ген в отличие от других генов? Или рибосома определяет статус гена органолептическим путем? Если это не рибосомный ген, то что, она его отвергает?
4. О синтезе рибосомного белка сказано в пункте 1.
5. РНК полимераза I синтезирует при помощи ДНК частицу 45S, являющуюся предшественником рРНК. Что представляет этот синтез, чем этот синтез отличается от вышеописанной транскрипции? Если это процессы различные, то должны быть различными полимеразы I и II. 45S это часть однотипных звеньев (нуклеотидов) рРНК или это особая структура, входящая в рРНК? Несомненно, что среди 50 000 генов человека существует и ген для частицы 45S и для частиц 18S, 5.8S и 28S, и для мРНК гистонов, и для мРНК актина и т.д. Только почему 45S является предшественником рРНК, а не наоборот? Может быть, это одно и то же?
6. С частицей 5SpРНК происходит то же самое, что и с частицей 45S, но нет деления на предшественника и последователя.
7. И снова возникает вопрос – какие силы собирают все эти ингредиенты в одном месте, да еще и в определенном порядке? Почему рибосомные белки, рожденные в протоплазме, так дружно направляются к частице 45S и к ядрышковым белкам и РНК (наверное, этих белков)? Кольман Я., Рём К.-Г. в “Наглядной биохимии” пишут:

“…цитоплазма клеток заполнена макромолекулами и малыми органическими молекулами, причем макромолекулы расположены очень близко друг к другу: большинство из них разделено лишь несколькими молекулами воды. Все эти молекулы находятся в постоянном движении. Однако повторяющиеся столкновения предотвращают их движение в каком-либо определенном направлении. В действительности они движутся беспорядочно по зигзагообразным траекториям. Белки из-за большой массы движутся особенно медленно. Тем не менее, средняя скорость миграции составляет около 5 нм/мс, т.е. за 2 мс они проходят расстояние, равное диаметру белковой глобулы. По статистической оценке любой белок может достичь любой точки в клеточной цитоплазме менее чем за секунду”.          

Как видим если бы молекуле, даже большой, не мешали случайные столкновения, и было бы целенаправленное движение, любая реакция могла бы совершиться менее чем за секунду.  Но что (какое физическое явление) в нашем случае может задать целенаправленное движение рибосомным белкам или частицам? На этот архиважный вопрос нет ответа в молекулярной биологии.         

8. К чему присоединяется 5SpРНК и в каких долях и для чего она нарезает предшественника можно только гадать.
9. Возможно, ядрышковые белки и РНК служат некоторым катализатором или шаблоном упорядочения связей рРНК и рибосомных белков в большой рибосомной субчастице. Допустим, что все это истинные явления, и мы получили требуемые большую и малую рибосомные субчастицы.
10. Как они вовлекаются в процесс трансляции? Они модифицируют исходную рибосому, которая синтезировала рибосомные белки или это новое формирование?

Примерно так объясняют происхождение рибосом все авторы, освещающие данную проблему. Нам пришлось рассмотреть более подробно формирование рибосомы, чтобы увидеть, сколько не понятных мест в данном процессе. И особо значимые из них – это узнавание и движение.  

Не менее странной представляется и работа рибосомы. Рибосома работает в основном с двумя типами молекул: матричная РНК, которая получается в режиме транскрипции, и транспортная РНК, которая несет на себе определенную аминокислоту. Вкратце алгоритм работы рибосомы такой.

1. В рибосоме между большой и малой субчастицами существует канал, в который каким-то образом попадает узнанная матричная РНК.
2. Данная мРНК фиксируется определенным образом в этом канале рибосомы.
3. Рибосома анализирует (дешифрирует) три звена (рибозонуклеотидов) и определяет, какая аминокислота зашифрована этим триплетом.
4. Затем из окружающей среды выбирается транспортная РНК, соответствующую данному триплету и через другой канал подается к матричной РНК.
5. Здесь комплементарные основания связываются между собой. И если это первая тройка больше ничего не происходит.
6. Потом матричная РНК продвигается на три звена и пункты 2-4 повторяются. В 5-ом пункте после связывания оснований производится организация пептидной связи между аминокислотами.
7. Возможно разрыв связей между аминокислотами и основаниями в транспортной РНК.

Циклы повторяются до окончания обработки всей мРНК. После этого пептидная цепь полностью отсоединяется от матрицы и начинает жить самостоятельно.

А теперь спросим – может ли такой алгоритм быть реализован природой? На этот вопрос утвердительно ответят 99(9)% опрошенных респондентов. Каждый видел множество технических устройств, работающих на этом алгоритме, от швейной машинки до синхрофазотрона или конвейера. Но давайте проведем такой мысленный опыт, хотя его легко реализовать на практике. Раскрасим 20 кубиков в различные цвета, аналог аминокислотам. В такие же цвета поперечными полосами хаотично раскрасим длинную ленту. Поместим ленту в какую-нибудь емкость со щелью, так чтобы можно было вытаскивать ленту из этой емкости. Пусть лента вытаскивается одним нажатием кнопки или одним поворотом ручки на ширину одной раскрашенной полоски. На вытащенную полоску следует поставить кубик точно такого же цвета, как и полоска. Заметим, что данный алгоритм на много проще выполняемого рибосомой. Не надо выполнять пункт 2, в пункте 3 не предусмотрен счет. В 5-ом пункте не предусмотрены особые действия (привинтить, защелкнуть, сориентировать и т.п.). Алгоритм практически сводится к трем повторяющимся действиям: анализ, поставить, продвинуть, анализ… Если кто-то станет утверждать, что эти действия сможет выполнить без обучения кошка, даже в том случае, когда поворот ручки мы заменим нажатием педали, ему можно смело не верить. В случае долгого и нудного обучения можно добиться того, что кошка, и то не всякая, с двумя-тремя цветами с многочисленными ошибками этот алгоритм может реализовать. Но когда цветов 20 всякое обучение потерпит поражение. А что с человекообразными обезьянами или дельфинами? Да почти, то же самое, что и с кошкой. Может быть, будет чуть больше цветов или шагов в случае упорного обучения. А с человеком? Без обучения будет то же что и в случае кошки. Человек просто не знает, что ему делать с этой лентой и кубиками. И даже если папа и мама кормились тем, что всю свою жизнь протягивали ленту и правильно ставили на нее кубики, то отпрыск, который никогда не видел этот процесс и его не обучили этому ремеслу, помрет с голоду.  И только процесс обучения и практики даст требуемые результат: кубики будут поставлены правильно и до требуемого расстояния.

А теперь попытаемся представить конструкцию из 26 типовых элементов, (20 аминокислот, 4 азотистых основания, рибоза и фосфат, с любым количеством каждого типа элементов), в виде рибосомы или любом, другом виде, такую, которая узнала бы матричную РНК. Потом затащила бы ее в свою щель, правильно ее сориентировала и зафиксировала. Далее произвела бы анализ триплета, отловила бы в клетке требуемую тРНК, соединила ее с мРНК и протянула мРНК на три звена. Такое не под силу ни кому и ни чему, кроме человека. 

А как же автомат? Любой инженер построит автомат, который успешно будет продвигать ленту и точно ставить требуемые кубики. А как же автомобильный конвейер? Там не 20 кубиков, а тысячи и постановка их требует большей сноровки, нежели постановка кубика. И все действительно прекрасно работает. Но представим операцию на конвейере в простом закручивании гайки на болт. Автомат определенным устройством берет с определенного места, определенно лежащую гайку, подносит ее к болту и закручивает ее на болт. А что произойдет, если гайка будет бракованная или не с тем шагом резьбы, будет сдвинута с определенного места или лежать на боку?  Автомат с тупым упорством будет накручивать не подходящую гайку на болт, пока что-нибудь не сломается. Если гайки не окажется на месте, а автомат не оборудован индикатором наличия гайки, то автомат также будет усердно наворачивать на болт пустоту. Такой же конфуз случится и при гайке, лежащей на грани. То есть для того чтобы автомат работал успешно, ему требуется определенная среда. Конечно, можно поставить автомат, который будет следить за пространственным и временным положением гайки, но у этого автомата появиться своя “гайка” и так до бесконечности. И везде будет нужна среда, ее кто-то или что-то должно обеспечить.

Очевидно, что автомат ставящий кубики будет состоять из большего количества видов элементов, чем рибосома, хотя может быть из меньшего общего количества.

Если в процессе работы автомата изменять среду: расположение кубиков, размер, освещение и т.д., то данный автомат может не справляться со своими обязанностями и его придется модернизировать или заменять другим. В общем изменение среды требует изменения автомата. В клетке при тепловом движении среда просто бурлит. Такая-то аминокислота в данный момент может быть с этой стороны ядра, а через некоторое время с другой стороны ядра. Возле рибосомы может оказаться одних аминокислот в избытке, а других недостаточно, а в другом месте все наоборот. 

Да и почему автомат должен тянуть ленту и ставить кубики? Сам он такое решение принять не может. Ему нужен поворот “ключа зажигания”. Что является поворотом ключа для рибосомы? 

Кроме того многие авторы утверждают, что рибосом в клетке существует очень много. К одной молекуле мРНК может быть прикреплено много рибосом. Такая структура имеет свое название — полирибосома или полисома. По каким правилам и сигналам они присоединяются к матрице, никто  не знает. Почему эти рибосомы включаются в процесс трансляции, а другие нет?

Изложенные выше незамысловатые рассуждения о происхождении и работе рибосомы позволяют усомниться в существовании такого явления как рибосома. Никто пока не наблюдал процесса трансляции в опытах. Не видел матричную РНК в щели рибосомы и тем более не наблюдал упорядоченных шагов ее продвижения через данную щель. Но ведь рибосомы в действительности существуют, их выделяют в центрифугах. Это так. Но имеют ли какое-то отношение эти частицы к процессу трансляции – это вопрос. А если имеют, то, каким образом?

На часть поставленных выше вопросов можно получить, рассмотрев процесс трансляции с позиций квантовой механики.