Антибиотики, действующие на уровне трансляции

На рис. I.21 приведены некоторые широко распространенные антибиотики, являющиеся ингибиторами биосинтеза белка у бактерий. Многие из них находят применение не только как лекарственные средства, но и как превосходные инструменты исследования механизма различных этапов биосинтеза белка. Биохимический анализ мутантов бактерий, устойчивых к действию конкретных антибиотиков, позволяет обнаруживать сайты действия антибиотиков на рибосомах и идентифицировать изменения компонентов системы белкового синтеза под влиянием этих мутаций. Как правило, для возникновения устойчивости к антибиотику достаточно замены одного аминокислотного остатка из ~7500 остатков белков, составляющих бактериальную рибосому. То же самое относится и к ~4500 основаниям рибосомных РНК. В этом случае не только замены одиночных оснований в рРНК, но и модификация (метилирование) единственного основания могут приводить к подобным эффектам. Рассмотрим механизм действия некоторых антибиотиков более подробно.

Рис. I.21. Антибиотики – ингибиторы биосинтеза белка у бактерий

Пуромицин. Этот антибиотик представляет собой производное нуклеозидов и является структурным аналогом 3’-концевой аминоацилированной группировки тРНК. Прямыми экспериментами было показано, что пуромицин конкурентным образом замещает очередную аминоацил-тРНК в A-сайте рибосом в процессе трансляции. Он участвует в акте образования пептидной связи в рибосоме, подменяя при этом очередную аминоацил-тРНК. В ходе реакции транспептидации происходит переброска C-конца растущего пептида от пептидил-тРНК на свободную аминогруппу его аминоацильного остатка, что приводит к освобождению пептидил-пуромицина из рибосом и прекращению биосинтеза белка. Пуромицин одинаково хорошо подавляет биосинтез белка как прокариотическими, так и эукариотическими рибосомами.

Хлорамфеникол. Участок лабильного связывания этого антибиотика локализован на 50S субчастице рибосом. Хлорамфеникол полностью ингибирует реакцию пуромицина с пептидил-тРНК, выступая его конкурентным ингибитором. При этом синтез пептида полностью прекращается, и он остается связанным с рибосомами. Предполагают, что хлорамфеникол имитирует аминоацильный конец молекулы аминоацил-тРНК, а его дихлорацетамидная группировка соответствует аминоацилу. Местом действия хлорамфеникола является A-участок 50S субчастицы рибосом, где антибиотик конкурирует с аминоацильным концом молекулы аминоацил-тРНК, препятствуя ее вхождению в A-участок, что сопровождается подавлением биосинтеза белка. В отличие от пуромицина хлорамфеникол ингибирует только бактериальные рибосомы. Сходным механизмом действия обладают антибиотики линкомицин и спарсомицин. Последний делает ассоциацию пептидил-тРНК с P-участком рибосом более прочной. При этом хлорамфеникол и линкомицин способны вытеснять спарсомицин из его комплекса с рибосомами.

Фусидовая кислота – антибиотик стероидной природы, блокирует биосинтез белка на стадии транслокации. Его мишенью является не столько сама рибосома, сколько белковый фактор EF2(EF-G), который, как указывалось выше, необходим для GTP-зависимой транслокации. Фусидовая кислота не влияет на взаимодействие фактора EF2(EF-G) и GTP с пре-транслоцированной рибосомой и последующее расщепление GTP. По-видимому, антибиотик препятствует диссоциации указанного комплекса и сопряженной с ней транслокации. По тому же механизму фусидовая кислота подавляет трансляцию эукариотическими рибосомами.

Тетрациклины. Антибиотики тетрациклинового ряда специфически связываются с 30S субчастицей рибосом, подавляя реакцию аминоацил-тРНК с рибосомами и свободными 30S субчастицами в присутствии матрицы, но не нарушая связывание самого матричного полинуклеотида. Предполагают, что тетрациклины взаимодействуют с акцепторным тРНК-связывающим участком 30S субчастицы рибосом.

Стрептомицин и другие аминогликозидные антибиотики. Стрептомицин (антибиотик углеводной природы) специфически взаимодействует с определенным структурным белком 30S субчастицы рибосом, блокируя стадию инициации трансляции. В присутствии стрептомицина наблюдается стимуляция связывания аминоацил-тРНК, не соответствующих кодонам мРНК, находящимся в данный момент в акцепторном A-участке рибосом. В итоге происходит ошибочное включение аминокислот в полипептидные цепи синтезируемых белков. Это может проявляться в фенотипической супрессии нонсенс-мутаций у мутантных бактерий. Аминогликозидные антибиотики также вызывают неспецифическое связывание матричных полинуклеотидов рибосомами. Следствием является, например трансляция одноцепочечных ДНК рибосомами в бесклеточных системах в присутствии аминогликозидов.

Трансляция у эукариот

Бактерии обладают единственной универсальной системой трансляции, основные механизмы функционирования которой были кратко рассмотрены выше. В отличие от этого, клетки животных кроме основной системы трансляции, локализованной в цитоплазме, имеют дополнительную систему трансляции митохондрий, которая по ряду свойств приближается к бактериальной. Клетки растений обладают еще одной дополнительной системой биосинтеза белка, функционирующей в хлоропластах. Большинство данных о механизмах биосинтеза белка у эукариот было получено с использованием бесклеточных белоксинтезирующих систем (подробнее о принципах функционирования таких систем см. в разделе 7.4). В последнее время важные результаты о механизмах трансляции у эукариот были получены с использованием стабильно трансформированных клеток животных и растений, выращиваемых в культуре. В ходе этих исследований установлено, что у растений и животных в основном функционируют одни и те же механизмы трансляции. Ниже будут рассмотрены основные молекулярные механизмы, участвующие в трансляции мРНК у эукариот, с привлечением данных, полученных главным образом на дрожжах S. cerevisiae.