Первичная рибосома. Рибосомы. Роль РНК в архитектуре и функциях рибосом. Отличие рибосом прокариот и эукариот
Строение рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка. Синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков. Химический состав рибосом В составе рибосом эукариотического типа 4 молекулы рРНК и около 100 молекул белка, прокариотического типа - 3 молекулы рРНК и около 55 молекул белка. Во время биосинтеза белка рибосомы могут «работать» поодиночке или объединяться в комплексы - полирибосомы (полисомы). В таких комплексах они связаны друг с другом одной молекулой иРНК. Прокариотические клетки имеют рибосомы только 70S-типа. Эукариотические клетки имеют рибосомы как 80S-типа (шероховатые мембраны ЭПС, цитоплазма), так и 70S-типа (митохондрии, хлоропласты).Субъединицы рибосомы эукариот образуются в ядрышке. Объединение субъединиц в целую рибосому происходит в цитоплазме, как правило, во время биосинтеза белка.
Функция рибосом: сборка полипептидной цепочки (синтез белка).
Свободные рибосомы, полирибосомы, их связь с другими структурными компонентами клетки.
Различают единичные рибосомы и комплексные рибосомы (полисомы). Рибосомы могут располагаться свободно в гиалоплазме и быть связанными с мембранами эндоплазматической сети. Свободные рибосомы образуют белки в основном на собственные нужды клетки, связанные обеспечивают синтез белков “” на экспорт”.
53 Промежуточные филаменты
(ПФ) - нитевидные структуры из особых белков, один из трех основных компонентов цитоскелета клеток эукариот. Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток. В отличие от других основных элементов цитоскелета, ПФ в цитоплазме клеток разных тканей состоят из разных, хотя и похожих по своей структуре белков. Цитоплазматические ПФ есть не у всех эукариот, они обнаружены только у некоторых групп животных. Так, ПФ есть у нематод. моллюсков и позвоночных. но не найдены у членистоногих и иглокожих. У позвочноных ПФ отсутствуют в некоторых клетках (например, олигодендроцитах). В растительных клетках ПФ не обнаружены. В большинстве животных клеток ПФ образуют «корзинку» вокруг ядра, откуда направлены к периферии клеток. ПФ особенно много в клетках, подверженных механическим нагрузкам: в эпителиях, где ПФ участвуют в соединении клеток друг с другом через десмосомы, в нервных волокнах, в клетках гладкой и поперечно-полосатой мышечной ткани.
Каждая клетка любого организма имеет сложную структуру, включающую в себя множество компонентов.
Вкратце о строении клетки
Она состоит из мембраны, цитоплазмы, органоидов, которые в них расположены, а также ядра (кроме прокариотов), в котором находятся молекулы ДНК. Кроме того, над мембраной имеется дополнительная защитная структура. В животных клетках во всех остальных - У растений она состоит из целлюлозы, у грибов - из хитина, у бактерий - из муреина. Мембрана состоит из трех слоев: двух фосфолипидных и белкового между ними.
В ней есть поры, благодаря которым осуществляется перенос веществ внутрь и наружу. Возле каждой поры расположены специальные транспортные белки, которые пропускают в клетку только определенные вещества. Органоидами животной клетки являются:
Рибосома - это что?
Раз уж мы говорим о ней в данной статье, то вполне логично задать такой вопрос. Рибосома - это органоид, который может быть расположен на внешней стороне стенок комплекса Гольджи. Нужно уточнить еще, что рибосома - это органоид, который содержится в клетке в очень больших количествах. В одной может находиться до десяти тысяч.
Где находятся данные органоиды?
Итак, как уже говорилось, рибосома - это структура, которая находится на стенках комплекса Гольджи. Также она может свободно передвигаться по цитоплазме. Третий вариант, где может располагаться рибосома - мембрана клетки. И те органоиды, которые находятся в этом месте, практически не покидают его и являются стационарными.
Рибосома - строение
Как же выглядит данная органелла? Она похожа на телефон с трубкой. Рибосома эукариот и прокариот состоит из двух частей, одна из которых больше, другая - меньше. Но эти две ее составляющие не соединяются вместе, когда она находится в спокойном состоянии. Это происходит только тогда, когда рибосома клетки непосредственно начинает выполнять свои функции. О функциях мы поговорим позже. Рибосома, строение которой описывается в статье, также имеет в своем составе информационную РНК и Данные вещества необходимы для того, чтобы записывать на них информацию о нужных клетке белках. Рибосома, строение которой мы рассматриваем, не имеет собственной мембраны. Ее субъединицы (так называются две ее половины) ничем не защищены.
Какие функции выполняет в клетке данный органоид?
То, за что отвечает рибосома, - синтез белка. Он происходит на основе информации, которая записана на так называемой матричной РНК (рибонуклеиновой кислоте). Рибосома, строение которой мы рассмотрели выше, объединяет свои две субъединицы только на время синтеза белка - процесса под названием трансляция. Во время данной процедуры синтезируемая полипептидная цепь находится между двумя субъединицами рибосомы.
Где они формируются?
Рибосома - органоид, который создается ядрышком. Данная процедура происходит в десять этапов, на протяжении которых постепенно формируются белки малой и большой субъединиц.
Каким образом происходит формирование белков?
Биосинтез белков происходит в несколько этапов. Первый из них - это активация аминокислот. Всего их существует двадцать, при комбинировании их разными методами можно получить миллиарды различных белков. На протяжении данного этапа из аминокислот формируется аминоалиц-т-РНК. Данная процедура невозможна без участия АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Также для осуществления этого процесса необходимы катионы магния.
Второй этап - полипептидной цепи, или процесс объединения двух субъединиц рибосомы и поставка к ней необходимых аминокислот. В данном процессе также принимают участие ионы магния и ГТФ (гуанозинтрифосфат). Третий этап называется элонгацией. Это непосредственно синтез полипептидной цепи. Происходит методом трансляции. Терминация - следующий этап - это процесс распада рибосомы на отдельные субъединицы и постепенное прекращение синтеза полипептидной цепочки. Далее идет последний этап - пятый - На этой стадии из простой цепи аминокислот формируются сложные структуры, которые уже и представляют собой готовые белки. В данном процессе участвуют специфические ферменты, а также кофакторы.
Структура белка
Так как рибосома, строение и функции которой мы разобрали в этой статье, отвечает за синтез белков, то давайте рассмотрим подробнее их структуру. Она бывает первичной, вторичной, третичной и четвертичной. - это определенная последовательность, в которой располагаются аминокислоты, формирующие данное органическое соединение. представляет собой сформированные из полипептидных цепочек альфа-спирали и бета-складки. Третичная структура белка предусматривает определенную комбинацию альфа-спиралей и бета-складок. Четвертичная же структура заключается в формировании единого макромолекулярного образования. То есть комбинации альфа-спиралей и бета-структур формируют глобулы либо фибриллы. По этому принципу можно выделить два типа белков - фибриллярные и глобулярные.
К первым относятся такие, как актин и миозин, из которых сформированы мышцы. Примерами вторых могут служить гемоглобин, иммуноглобулин и другие. напоминают собой нить, волокно. Глобулярные больше похожи на клубок сплетенных между собой альфа-спиралей и бета-складок.
Что такое денатурация?
Каждый наверняка слышал это слово. Денатурация - это процесс разрушения структуры белка - сначала четвертичной, затем третичной, а после - и вторичной. В некоторых случаях происходит и ликвидация первичной структуры белка. Данный процесс может происходить вследствие воздействия на данное органическое вещество высокой температуры. Так, денатурацию белка можно наблюдать при варке куриных яиц. В большинстве случаев этот процесс необратим. Так, при температуре выше сорока двух градусов начинается денатурация гемоглобина, поэтому сильная гипертермия опасна для жизни. Денатурацию белков до отдельных нуклеиновых кислот можно наблюдать в процессе пищеварения, когда с помощью ферментов организм расщепляет сложные органические соединения на более простые.
Вывод
Роль рибосом очень сложно переоценить. Именно они являются основой существования клетки. Благодаря данным органоидам она может создавать белки, которые ей необходимы для самых разнообразных функций. формирующиеся рибосомами, могут играть защитную роль, транспортную, роль катализатора, строительного материала для клетки, ферментативную, регуляторную (многие гормоны имеют белковую структуру). Поэтому можно сделать вывод, что рибосомы выполняют одну из самых важных функций в клетке. Поэтому их и так много - клетке всегда нужны продукты, синтезируемые данными органоидами.
Строение и функции рибосом необходимо знать любому современному человеку. Функционирование клетки живого организма – сложный процесс, продолжающийся в течение жизни организма.
Рибосомы представляют собой органоиды клетки, участвующие в сложном клеточном механизме трансляции генетического кода в цепи аминокислот. Длинные цепи аминокислот соединяются между собой, образуя белки, выполняющие различные функции. Схема строения рибосомы показана на рисунке ниже.
Какую функцию выполняют рибосомы
Назначение описываемого органоида в любой клетке заключается в осуществлении синтеза белков. Белки используются практически всеми клетками:
- в качестве катализаторов — ускоряют время реакции;
- в качестве волокон — обеспечивают стабильность клетки;
- многие белки имеют индивидуальные задачи.
Основным хранилищем информации в клетках служит молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Специальный фермент, РНК-полимераза, связывается с молекулой ДНК и создает «зеркальную копию» — матричную рибонуклеиновую кислоту (мРНК), свободно перемещающуюся из ядра в цитоплазму клетки.
Цепочка рибонуклеиновой кислоты обрабатывается при выходе из ядра; области РНК, которые не кодируют белки, удаляются; мРНК используется для дальнейшего синтеза белка.
Каждая мРНК состоит из 4 различных нуклеиновых кислот, тройки которых составляют кодоны. Каждый кодон определяет специфическую аминокислоту. В организме всех живых существ на Земле встречаются 20 аминокислот. Кодоны, используемые для спецификации аминокислот, почти универсальны.
Кодон, запускающий все белки — «AUG», последовательность нуклеиновых оснований:
- аденин;
- урацил;
- гуанин.
Специальная молекула РНК поставляет аминокислоты для синтеза — транспортная РНК или тРНК. К активному кодону подходит тРНК, несущая соответствующую аминокислоту, ассоциируется с ним. Происходит образование пептидной связи новой аминокислоты со строящимся белком.
Где образуются рибосомы
Составные части органоида образуются в ядрышке. Две субъединицы объединяются для начала химического процесса синтеза белка из цепи мРНК. Рибосома действует в качестве катализатора, образуя пептидные связи между аминокислотами. Использованная тРНК высвобождается обратно в цитозоль, в дальнейшем она может связываться с другой аминокислотой.
Органоид достигнет стоп-кодона мРНК (UGA, UAG и UAA), остановив процесс синтеза. Специальные белки (факторы терминации) прервут цепочку аминокислот, отделив ее от последней тРНК — формирование белка закончится.
Различные белки требуют некоторых модификаций, транспортировки в определенные области клетки до начала функционирования. Рибосома, прикрепленная к эндоплазматическому ретикулуму, поместит вновь образованный белок внутрь, он пройдет дополнительные модификации, будет должным образом свернут. Другие белки образуются непосредственно в цитозоли, где действуют как катализатор для различных реакций.
Рибосомы создают нужные клеткам белки, составляющие около 20 процентов состава клетки. Приблизительно в клетке находится 10 000 различных белков, приблизительно по миллиону копий каждого.
Рибосома эффективно и быстро участвует в синтезе, добавляя 3-5 аминокислот к белковой цепи в секунду. Короткие белки, содержащие несколько сотен аминокислот, могут быть синтезированы за считанные минуты.
Состав и строение рибосом
Рибосомы имеют схожую структуру в клетках всех организмов Земли, незаменимы при синтезе белков. В начале эволюции различных форм жизни рибосома была принята в качестве универсального способа перевода РНК в белки. Эти органоиды изменяются в различных организмах незначительно.
Описываемые органоиды состоят из большой и малой субъединицы, располагающихся вокруг молекулы мРНК. Каждая субъединица представляет собой комбинацию белков и РНК, называемых рибосомальной РНК (рРНК).
Длина рРНК в разных цепях разная. рРНК окружена белками, создающими рибосому. рРНК удерживает мРНК и тРНК в органоиде и действует в качестве катализатора для ускорения образования пептидных связей между аминокислотами.
Рибосомы измеряются в единицах Svedberg, означающих сколько времени требуется молекуле для осаждения из раствора в центрифуге. Чем больше число, тем больше молекула.
Различия между прокариотическими и эукариотическими рибосомами рассмотрены в таблице.
Рибосомы отвечают за процесс синтеза белка – двигательной силы организма и являются одним из ключевых органоидов живой клетки, представленной во всем многообразии живых существ на Земле.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДОКЛАД
по дисциплине:
«Введение в естествознание»
«Рибосомы. Роль РНК в архитектуре
и функциях рибосом.»
Факультет: ФЕН
Группа: 7403
Студент: Романова Т. Е.
Новосибирск, 2007 г.
1. История исследований рибосомы
2. Строение и функции, разновидности рибосом
3. Принципы функционирования, роль РНК
4. Список
литературы
1.
История исследования рибосомы
Рибосомы впервые были описаны как уплотненные частицы, или гранулы, клеточным биологом румынского происхождения Джорджем Паладе в середине 1950-х годов. В 1974 г. Паладе, Клод и Кристиан Де Дюв получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки». Термин "рибосома" был предложен Ричардом Робертсом в 1958 вместо "рибонуклеобелковая частица микросомальной фракции". Биохимические и мутационные исследования рибосомы начиная с 1960-х позволили описать многие функциональные и структурные особенности рибосомы. В начале 2000-х появились атомные структуры отдельных субъединиц, а также полной рибосомы, связанной с различными субстратами, которые позволили понять механизм декодинга (распознавания антикодона тРНК, комплементарного кодону мРНК) и детали взаимодействий между рибосомой, антибиотиками, тРНК и мРНК.
Рибосома - крупный внутриклеточный
макромолекулярный ансамбль, ответственный за синтез полипептидной цепи из
аминокислот (трансляцию); состоит из молекул РНК (т. наз. рибосомные
рибонуклеиновые кислоты, или рРНК) и белков.
Основная масса рибосом локализована в цитоплазме. В бактериальной
клетке рибосомы составляют до 30% ее сухой массы: на одну бактериальную клетку
приходится примерно 104 рибосом. В эукариотических клетках (клетки всех
организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) относительное
содержание рибосом меньше, и их количество очень сильно варьирует в зависимости
от белок-синтезирующей активности соответствующей ткани или отдельной клетки.
В эукариотической клетке все
рибосомы цитоплазмы (как мембрано-связанные, так и свободные) образуются в
ядрышке; считается, что там они неактивны. Эукариотическая клетка имеет также
специальные рибосомы в митохондриях (у животных и растений) и хлоропластах (у
растений). Рибосомы этих органелл отличаются от цитоплазматических размерами и
некоторыми функциональными свойствами. Они образуются непосредственно в этих
органеллах.
Различают два основных типа
рибосом. Всем прокариотическим организмам (бактерии и синезеленые водоросли)
свойственны так называемые 70S рибосомы,
характеризующиеся коэффициентом (константой) седиментации около 70 единиц
Сведберга, или 70S (по коэф. седиментации различают и
рибосомы других типов, а также субчастицы и биополимеры, входящие в состав Р.).
Их молекулярная масса составляет 2,5 · 10 6 , линейные размеры 20-25
нм. По химическому составу это рибонуклеопротеиды; они состоят только из рРНК и
белка (соотношение этих компонентов 2:1). Рибосомная РНК в рибосоме
присутствует в основном в виде Mg-соли (по-видимому,
частично и в виде Са-соли); магния в рибосоме до 2% от сухой массы. Кроме того,
в различных количествах (до 2,5%) могут присутствовать также катионы
аминов-спермина H2N(CH2)3NH(CH2)4NH(CH2)3NH2,
спермидина H2N(CH2)3NH(CH2)4NH2 и др.
Поскольку коэффициенты
седиментации зависят не только от молекулярной массы, но и от формы частиц,
седиментационные коэффициенты при диссоциации неаддитивны: так, например,
бактериальные рибосомы с молекулярной массой ~3*106 Дальтон имеет коэффициент
седиментации 70S, обозначается как 70S и диссоциирует на субъединицы 50S и 30S:
70S 50S + 30S
Рибосомные субчастицы содержат по
одной молекуле рРНК большой длины, масса которой составляет ~1/2 - 2/3 массы
рибосомной субчастицы, таким образом, в случае бактериальных рибосом 70S
субчастица 50S содержит рРНК 23S (длина ~3000 нуклеотидов) и субчастица 30S
содержит рРНК 16S (длина ~1500 нуклеотидов); большая рибосомная субчастица
кроме «длинной» рРНК содержит также одну или две «коротких» рРНК (5S рРНК бактериальных
рибосомных субчастиц 50S или 5S и 5.8S рРНК больших рибосомных субчастиц
эукариот).
Цитоплазма клеток всех
эукариотических организмов содержит несколько более крупные 80S
рибосомы. Их молекулярная масса около 4·10 6 , линейные размеры 25-30
нм, содержание белка в них значительно больше, чем в прокариотической рибосоме
(соотношение РНК: белок ок. 1:1). Рибосомная РНК 80S
также связана в основном с Mg и Са и с небольшим
кол-вом полиаминов (спермин, спермидин и др.).
Хлоропласты и митохондрии эукариотических
клеток содержат рибосомы, отличные от типа 80S.
Рибосомы хлоропластов высших растений принадлежат к истинному 70S типу. Митохондриальные рибосомы более разнообразны; их
строение находится в зависимости от таксономической принадлежности организма (т.е.
от принадлежности к определенному виду, роду или семейству). Напр.,
митохондриальные рибосомы млекопитающих существенно мельче типичных 70S Р.; коэффициент седиментации этих рибосом составляет около
55S (т. наз. минирибосомы).
Рибосомы из самых разнообразных
организмов имеют сходное строение. Они состоят из двух разделяемых субчастиц,
или рибосомных субъединиц. При определенных условиях (например, при понижении
концентрации Mg 2 + в среде) рибосома
обратимо диссоциирует на две субчастицы с соотношением их молекулярных масс
около 2:1. Прокарйотическая 70S рибосома диссоциирует
на субъединицы с коэффициентом седиментации 50S
(молекулярная масса 1,5·10 6) и 30S
(молекулярная масса 0,85·10 6). Эукариотическая рибосома разделяется
на субчастицы 60S и 40S. Две рибосомные
субчастицы объединены в полную рибосому строго определенным образом,
предполагающим специфические контакты их поверхностей.
Как прокариотические, так и
эукариотические рибосомы содержат две различные высокомолекулярные рРНК (по
одной на каждую субчастицу) и одну относительно низкомолекулярную рРНК в
большой субчастице.
Рибосомные белки большинства
животных представлены в основном умеренно основными полипептидами, хотя имеется
несколько нейтральных и кислых белков. Молекулярные массы рибосомных белков
варьирует от 6 тыс. до 60 тыс. г/моль. В прокариотической рибосоме малая
субчастица (30S) содержит около 20, большая (50S) - около 30 различных белков; в эукариотической рибосоме 40S субчастица включает около 30 белков, а 60S-около
40 (обычно рибосомы не содержат двух или нескольких одинаковых белков).
Рибосомные белки характеризуются глобулярной компактной конформацией с развитой
вторичной и третичной структурой; они занимают преимущественно периферическое
положение в ядре, состоящем из рРНК. Плотность упаковки рРНК в рибосомах
достаточно высока.
По-видимому, рРНК определяет
основные структурные и функциональные свойства рибосом, в частности
обеспечивает целостность рибосомных субъединиц, обусловливает их форму и ряд
структурных особенностей. Специфическая пространственная структура рРНК
детерминирует локализацию всех рибосомных белков, играет ведущую роль в
организации функциональных центров рибосом.
3.
Принципы функционирования, роль РНК
Биосинтез белка имеет два
аспекта: химический и генетический. Принципиальным моментом является то, что в
природе белок строится из аминокислот не посредством их прямой конденсации с
освобождением воды или одновременной полимеризации на матрице, а путем
последовательного добавления аминокислотных остатков к одному из концов
растущей полипептидной цепи (удлинения) с одновременным сканированием
матричного полинуклеотида (мРНК), задающего порядок добавления различных
аминокислотных остатков. Три последовательные химические реакции приводят к
включению (добавлению) аминокислоты в полипептидную цепь строящегося белка.
Разделение
декодирующей и энзиматической функций между субчастицами
Трансляция начинается с того, что мРНК, синтезируемая на ДНК в качестве копии одной из двух цепей последней, связывается с рибосомной частицей. При этом рибосомная частица (у прокариот прямо и непосредственно, а у эукариот после некоторого скольжения вдоль некодирующей части мРНК) специфически взаимодействует с началом кодирующей нуклеотидной последовательности мРНК. Этап связывания мРНК с рибосомной частицей и нескольких последующих событий, приводящих к образованию первой пептидной связи, называется инициацией трансляции. Вслед за инициацией рибосома последовательно "читает" цепочку мРНК по тройкам (триплетам) нуклеотидов по направлению к 3"-концу, наращивая (удлиняя) полипептидную цепочку аминокислотными остатками; этот этап собственно трансляции называется элонгацией. Наконец, достигнув специального нуклеотидного триплета - стоп-кодона, или кодона терминации, - рибосома освобождает синтезированную полипептидную цепочку белка: происходит терминация трансляции.
Генетические функции малой рибосомной субчастицы.
Характерным моментом инициации трансляции является то, что на этом этапе
участвуют не целые рибосомы, а их отдельные субчастицы. Другими словами, для
того чтобы инициировать трансляцию, рибосома должна быть диссоциирована на две
составляющие ее неравные субчастицы. Для этого клетка располагает специальными
механизмами, обеспечивающими диссоциацию рибосом после терминации трансляции.
Именно малая субчастица рибосомы (30S у прокариот и 40S у эукариот), и только
она, связывается с мРНК, то есть служит первичным приемником генетической
информации для белоксинтезирующего аппарата. Лишь впоследствии, при завершении
этапа инициации трансляции, к ней присоединяется большая субчастица (50S у
прокариот и 60S у эукариот), образуя полную рибосомную частицу (70S у прокариот
и 80S у эукариот), которая и будет производить элонгацию.
В процессе элонгации рибосома удерживает мРНК и движется относительно ее
(или протягивает ее сквозь себя) в направлении от 5"-конца к 3"-концу.
Удержание мРНК на рибосоме есть целиком и полностью функция малой рибосомной
субчастицы, в то время как большая субчастица с мРНК никак не взаимодействует.
Соответственно последовательное сканирование кодирующей последовательности мРНК
(считывание генетической информации) в ходе элонгации осуществляется на малой
субчастице транслирующей рибосомы.
Механизм потриплетного сканирования мРНК в ходе элонгации предполагает участие
молекул тРНК, которые взаимодействуют прежде всего с малой рибосомной
субчастицей. Малая субчастица в составе полной транслирующей рибосомы имеет два
тРНК-связывающих участка, обозначаемых как аминоацил-тРНК-связывающий участок
(А-участок) и пептидил-тРНК-связывающий участок (Р-участок). На этапе элонгации
Р-участок всегда занят остатком тРНК.
Рассмотрение элементарного акта элонгации удобно начать с момента, когда Р-участок занят молекулой пептидил-тРНК (тРНК, несущая растущую полипептидную цепь), а А-участок вакантен и содержит лишь некий нуклеотидный триплет (кодон) мРНК, пока не взаимодействующий ни с каким триплетом (антикодоном) тРНК (рис. 1, состояние I). Такая рибосома готова (компетентна) связать аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен триплету (кодону), установленному в А-участке. При наличии около рибосомы такой аминоацил-тРНК происходит первый шаг элементарного элонгационного цикла - кодонспецифическое связывание аминоацил-тРНК с А-участком. Теперь рибосома несет "старую" пептидил-тРНК в Р-участке и новоявленную аминоацил-тРНК в А-участке, которые расположены рядом, бок о бок (рис. 1, состояние II). Следовательно, в результате кодон-антикодонового взаимодействия мРНК с тРНК на малой субчастице рибосомы произошло декодирование триплета мРНК: именно тот аминокислотный остаток, который был привешен к тРНК с комплементарным антикодоном, оказался в рибосоме.
Далее молекулы пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК, расположенные рядом в
рибосоме, реагируют друг с другом: пептидильный остаток переносится на
аминогруппу молекулы аминоацил-тРНК. Это второй шаг элементарного элонгационного
цикла - транспептидация, когда полипептидная цепь удлиняется на одну
аминокислоту - на ту, которую принесла тРНК, связавшаяся с А-участком. А сама
тРНК, принесшая эту аминокислоту, так и осталась с ней связанной и, таким
образом, связанной с удлиненным полипептидом (рис. 1, состояние III). В этом
состоянии, однако, новообразованная пептидил-тРНК - точнее, ее остаток тРНК -
занимает "не положенный ей" А-участок, а "сидит" в
Р-участке деацилированная (без пептидильного или аминоацильного остатков) тРНК.
Такое состояние называется претранслокационным. Дальше элонгация идти не может,
пока не осуществится третий шаг элонгационного цикла - транслокация, которая
выбросит деацилированную тРНК из Р-участка и переведет пептидил-тРНК из
А-участка в Р-участок вместе со связанным с ней кодоном мРНК. В результате в
освободившемся А-участке на малой рибосомной субчастице установится следующий
(новый) кодон мРНК.
Цикл завершился, приведя к
образованию одной пептидной связи и соответствующему удлинению растущего полипептида
на одну аминокислоту, с одной стороны, и к прочтению одного кодона мРНК и
перемещению мРНК на один триплет - с другой. Повторение таких элементарных
циклов и создает процесс элонгации.
Таким образом, малая рибосомная
субчастица в изолированном состоянии воспринимает копию гена в форме мРНК и
инициирует процесс ее трансляции, а в ходе трансляции малая субчастица полной
рибосомы удерживает мРНК на себе, декодирует ее с помощью тРНК и
последовательно перебирает ее кодоны и тРНК, используя механизм транслокации.
Так как все это операции с генетическим материалом, то указанные функции малой
рибосомной субчастицы могут быть определены как генетические.
Рис.
2: Реакция транспептидации, катализируемая пептидилтрансферазным центром
большой рибосомной субчастицы
Энзиматические функции большой рибосомной субчастицы.
Когда пептидил-тРНК занимает Р-участок, а аминоацил-тРНК - А-участок на малой субчастице рибосомы (см. рис. 1, состояние II) , концы остатков тРНК с присоединенными к ним аминоацильными остатками взаимодействуют с большой субчастицей рибосомы. Участок этого взаимодействия на большой субчастице является пептидилтрансферазным центром рибосомы: он катализирует реакцию транспептидации между пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК, то есть перенос карбоксильной группы пептидильного остатка на аминогруппу аминоацил-тРНК (рис. 2). В результате образуется новая пептидная связь, и пептидильный остаток становится на одну аминокислоту длиннее. Таким образом, большая субчастица транслирующей рибосомы выступает здесь как фермент, ответственный за образование пептидных связей и в целом за синтез (элонгацию) полипептидной цепи. Это главная энзиматическая функция рибосомы.
Следует отметить, что никакого отдельного от рибосомы белка-фермента, катализирующего образование пептидных связей на рибосоме, не существует. Не найдено и никакого специального белка в составе рибосомы, который бы обладал такой энзиматической функцией. Транспептидация катализируется пептидилтрансферазным центром самой рибосомы как интегральной частью большой рибосомной субчастицы, и основной вклад в организацию центра вносит, по-видимому, рибосомная РНК субчастицы.
Кроме катализа реакции транспептидации большая рибосомная субчастица определенным образом участвует в энзиматическом расщеплении (гидролизе) гаунозинтрифосфата (ГТФ) в процессе трансляции. Дело в том, что, как видно на рис. 1, первый и третий шаги элонгационного цикла идут с участием специальных нерибосомных белков - так называемых факторов элонгации EF1 и EF2. Эти белки являются катализаторами соответствующих нековалентных переходов - связывания аминоацил-тРНК и транслокации. Для такого катализа необходимым оказывается сопряженный гидролиз ГТФ. Именно большая рибосомная субчастица взаимодействует с факторами элонгации и индуцирует гидролиз ГТФ на них. Хотя сам ГТФазный центр находится не на рибосомной субчастице, а на белке - факторе элогнации, ее временная ассоциация с фактором существенна для формирования активного энзиматического ГТФазного центра.
Таким образом, существует четкое разделение труда между двумя неравными
субчастицами рибосомы: малая субчастица выполняет генетические функции, будучи
ответственной за прием и декодирование генетической информации, в то время как
большая участвует в энзиматических реакциях в процессе трансляции.
Конформационная подвижность рибосомы
Работа рибосомы в качестве "лентопротяжного механизма"
последовательное прочитывание цепи мРНК от одного конца к другому) в ходе
элонгации и ее способность перебрасывать сравнительно большие молекулярные
массы (молекулы тРНК) из одного участка в другой в каждом элементарном
элонгационном цикле (см. рис. 1, шаг 3) предполагают ее механическую
подвижность. Взаимная подвижность двух рибосомных субчастиц может быть основным
видом крупноблочной подвижности рибосомы в ходе работы, и имеются
экспериментальные свидетельства в пользу такой подвижности. Кроме того,
существуют указания на подвижность "головки" малой рибосомной
субчастицы относительно ее "тела" и на подвижность палочкообразного
бокового выступа большой рибосомной субчастицы.
Рибосома при прохождении элонгационного цикла осциллирует между двумя
конформационными состояниями: закрытым (сомкнутым) и открытым (разомкнутым). В
сомкнутом состоянии рибосомные лиганды (тРНК) зажаты между субчастицами,
связаны максимальным количеством контактов с рибосомой и не имеют
внутририбосомной подвижности. В разомкнутом состоянии рибосомы лиганды более
подвижны, контакты с рибосомой менее полны, и имеется возможность их входа и
выхода из рибосомы. Так, на первом этапе связывания аминоацил-тРНК рибосома
должна быть открыта для приема лиганда. Возможно, это открытое состояние
фиксируется фактором элонгации EF1. Далее EF1 уходит, рибосомные субчастицы
плотно смыкаются, и аминоацильный конец связавшейся аминоацил-тРНК вступает в
контакт с пептидилтрансферазным центром большой субчастицы. В сомкнутом
состоянии пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК тесно сближены, и между ними
происходит реакция транспептидации. Теперь, чтобы выбросить деацилированную
тРНК из рибосомы и дать свободу для перемещения остатка тРНК молекулы
пептидил-тРНК из А-участка в Р-участок, рибосому надо приоткрыть, в частности
путем раздвигания субчастиц. Это может осуществляться фактором
элонгации EF2. После ухода EF2 с рибосомы она снова смыкается и ждет прихода
очередной аминоацил-тРНК с фактором элонгации EF1.
Процесс периодического
смыкания-размыкания рибосомы является энергозависимым: факторы элонгации EF1 и
EF2 взаимодействуют с рибосомой только будучи связанными с ГТФ (согласно
модели, при этом взаимодействии происходит открывание рибосомы), а
взаимодействие с рибосомой наводит ГТФазную активность, ГТФ гидролизуется,
фактор элогации теряет сродство к рибосоме и уходит, и рибосома закрывается.
Таким образом, на каждое смыкание-размыкание рибосомы расходуется одна молекула
ГТФ. Так как в каждом элонгационном цикле рибосома смыкается-размыкается
дважды, то две молекулы ГТФ расходуются на каждый цикл. Это есть энергетическая
плата за эффективное (быстрое и надежное) функционирование рибосомы как
молекулярной машины.
4.
Список литературы
1. Спирин А.С. Принципы структуры рибосом // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 11. С. 65-70.
2. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка. М.: Высш. шк., 1986. 300 с.
3. Спирин А.С. О механизме работы рибосомы: Гипотеза смыкания-размыкания субчастиц // Докл. АН СССР. 1968. Т. 179. С. 1467-1470.
Рибосомы - это важнейшие компоненты клеток как прокариот, так и эукариот. Строение и функции рибосом связаны с синтезом белка в клетке , т. е. процессом трансляции .
По химическому составу рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиды , т. е. состоят из РНК и белков. В рибосомы входит только один тип РНК – рРНК (рибосомальная РНК). Однако существует 4 разновидности ее молекул.
По строению рибосомы - это мелкие, округлой формы, немембранные органоиды клетки. Их количество в разных клетках варьирует от тысяч до нескольких миллионов. Рибосома - это не монолитная структура, она состоит из двух частиц, которые называют большой и малой субъединицами .
В клетках эукариот большинство рибосом прикреплено к ЭПС, в результате чего последняя становится шероховатой.
Большая часть рРНК, составляющая рибосомы, синтезируется в ядрышке. Ядрышко образуют определенные участки разных хромосом, содержащие множество копий генов, на которых синтезируется предшественник молекул рРНК. После синтеза предшественника он видоизменяется и распадается на три части - разные молекулы рРНК.
Одна из четырех типов молекул рРНК синтезируется не в ядрышке, а в ядре на других участках хромосом.
В ядре происходит сборка отдельных субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму, где при синтезе белка объединяются.
По строению обе субъединицы рибосом представляют собой молекулы рРНК, которые принимают определенные третичные структуры (сворачиваются) и инкрустируются десятками различных белков. При этом в состав большой субъединицы рибосом входит три молекулы рРНК (у прокариот - две), а в состав малой - только одна.
Единственная функция рибосом - это обеспечение возможности протекания химических реакций при биосинтезе белка в клетке. Матричная РНК, транспортные РНК, множество белковых факторов в рибосоме занимают определенные положения, что дает возможность эффективно протекать химическим реакциям.
При объединении субъединиц в рибосоме образуются «места» – сайты. Рибосома движется по мРНК и «считывает» кодон за кодоном. В один сайт поступает тРНК с присоединенной к ней аминокислотой, в другом – находится ранее прибывшая тРНК, к которой прикреплена ранее синтезированная полипептидная цепочка. В рибосоме между аминокислотой и полипептидом образуется пептидная связь. В результате полипептид оказывается на «новой» тРНК, а «старая» покидает рибосому. На ее место смещается оставшаяся тРНК вместе со своим «хвостом» (полипептидом). Рибосома сдвигается по мРНК вперед на один триплет, и к нему присоединяется комплементарная тРНК и т. д.
По одной цепи мРНК могут двигаться друг за другом несколько рибосом, образуя полисому .
