Біохіміки з Гарварду побудували математичну модель, яка пов'язує будову рибосоми зі швидкістю подвоєння цієї органели. З'ясувалося, що склад рибосом у бактерій відповідає принципу максимально швидкого самовідтворення, що дозволяє бактеріям швидко ділитися. Мітохондріальні рибосоми, навпаки, у самовідтворенні не задіяні, тому за складом значно відрізняються від бактеріальних. Стаття з викладками опублікована в журналі.
Рибосоми - це клітинні органели, які займаються синтезом білка, транслюючи генетичний код матричних РНК в амінокислоти. У всіх живих організмів рибосоми принципово влаштовані однаково - кілька великих молекул рибосомної РНК виконують роль остова, на якому розташовано безліч маленьких рибосомних білків. Незважаючи на уніфіковану будову і принцип роботи, у бактерій, архей і еукаріот рибосоми відрізняються за розміром, кількістю і масою компонентів. Наприклад, бактеріальна рибосома менша за розміром, містить три молекули РНК і в середньому 55 різних білків. Еукаріотична рибосома більша за бактеріальну, містить чотири молекули РНК і 80 білків.
Швидкість роботи рибосом - дуже важливий фактор, що визначає в кінцевому підсумку час подвоєння клітини, адже рибосома виробляє буквально всі білкові компоненти. Відтворення рибосом також лягає на плечі інших рибосом - виняток становлять рибосоми, які входять до складу мітохондрій. Для них структурні білки синтезуються органелами, розташованими в цитоплазмі клітини - «господаря». Вчені підрахували, що 20 відсотків усього «робочого часу» рибосому витрачає на самовідтворення, тобто синтез рибосомних білків, а також молекул РНК-полімерази, яка синтезує нові молекули рибосомних РНК.
Молекулярні біологи припустили, що висока швидкість роботи, а значить, і самовідтворення, повинна відбитися на складі органелл. Наприклад, час синтезу окремих компонентів буде меншим, якщо до складу рибосоми входить багато коротких білків, а не один-два довгих. Автори розрахували, що оптимальна кількість білків, що дозволяє зібрати рибосому максимально швидко, лежить в діапазоні від 40 до 85. Дійсно, для бактерій це значення дорівнює 55. Еукаріотичні рибосоми з 80 білками вже близькі до верхньої межі ефективності, за якою такі фактори як порушення еквімолярності компонентів і низька ефективність ініціації трансляції починають знижувати швидкість відтворення.
Середня довжина рибосомного білка у бактерій становить 130 амінокислот, в той час як середня довжина поліпептида в клітці в цілому - більше 300 амінокислот. Вкорочені білки не тільки дозволяють швидко завершувати їх синтез, але і позбавляють від помилок, що відбуваються по ходу трансляції. Що стосується рибосомної РНК, згідно з моделлю, клітці вигідніше синтезувати одну велику молекулу, а не безліч маленьких - так рибосому простіше зібрати. У реальності рибосоми складаються з декількох молекул РНК, але автори відзначають, що у бактерій, наприклад, вони синтезуються у вигляді одного великого попередника, який згодом розрізається.
Оскільки РНК синтезувати простіше і швидше, ніж білки, для якнайшвидшого самовідтворення рибосоми, РНК повинна становити більшу її частину. Дійсно, в найбільш «швидкісних» бактеріальних рибосомах РНК становить 70-80 відсотків, а в складі мітохондріальних рибосом - тільки 20 відсотків.
Раніше ми писали про те, що відтворення рибосом накладає обмеження не тільки на швидкість ділення клітини, але і на її розмір. Наприклад, якщо бактеріальна клітина буде нарощувати розміри, зберігаючи той же самий темп ділення, досить скоро вона просто не зможе вмістити всі необхідні їй рибосоми. Нова робота демонструє, що збільшення розмірів і ускладнення організації клітин призвело до еволюції рибосом, які також стали більшими і більш складно влаштовані, однак при цьому втратили в швидкості.