Характеристика и роль рибосом в клетке

Рибосомы — субмикроскопические немембранные органеллы, необходимые для синтеза белка. Они объединяют аминокислоты в пептидную цепь, образуя новые белковые молекулы. Биосинтез осуществляется по матричной РНК путем трансляции.

Химический состав

Рибосома напоминает эллипс или сферу, диаметром от пятнадцати до двадцати нанометров у прокариот и от двадцати пяти до тридцати у эукариот. Органелла состоит из маленькой и большой субъединиц.

В клетках с ядром органеллы находятся на мембране эндоплазматической сети, но могут располагаться и в отдельной форме в цитоплазме. Часто с молекулой м-РНК связано больше одной органеллы, подобная структура получила название полисомы (полирибосомы). Нужно понять, где образуются рибосомы у эукариотов. Это осуществляется в специальной структуре внутри ядра — ядрышке.

Рибосомы являются нуклеопротеидом, в котором пропорция белок/рибонуклеиновая кислота равна 50:50 у высших организмов и 65:40 у бактерий. РНК органеллы занимает почти 70% от общей РНК клетки. Органеллы эукариот содержат 4 молекулы р-РHК, из них 18 S (единица измерения Сведберга), 5 S и 28 S р-РНК синтезируются в ядрышке. Практически полностью р-РHК имеет вид магниевой соли. Это обязательное условие для стабильности структуры. Если убрать ионы магния, то органелла расщепляется на субъединицы.

Реакция оседания в центрифуге (постоянная седиментации) у органелл цитоплазмы клеток с выраженным ядром равна 80 S (маленькая и крупная частицы 40 S и 60 S, соответственно), у клеточных рибосом бактерий — 70 (для частиц 30 S и 50 S).

О генетическом коде

Программа, задающая последовательность аминокислотных остатков в белке, записана в геноме клетки: около полувека назад было установлено, что аминокислотные последовательности всех белков непосредственно закодированы в ДНК с помощью так называемого генетического кода. Согласно этому коду, универсальному для всех живых организмов, каждой из двадцати существующих аминокислот соответствует свой кодон — тройка нуклеотидов, представляющих собой элементарные единицы цепочки ДНК. Любой белок закодирован в ДНК определенной последовательностью кодонов. Эта последовательность называется геном.

Одна клетка может содержать до 10 тыс. рибосом — белковых минифабрик, составляющих до 30% сухой клеточной массы

Как же эта генетическая информация доходит до рибосомы? На отдельном гене, как на матрице, синтезируется цепь еще одной информационной молекулы — рибонуклеиновой кислоты (РНК). Этот процесс копирования гена, называемый транскрипцией, осуществляется специальными ферментами — РНК-полимеразами.

Но РНК, полученная таким образом, еще не является матрицей для синтеза белка: из нее, вырезаются определенные «некодирующие» куски нуклеотидной последовательности (процесс сплайсинга).

Точность белкового синтеза рибосомой исключительно высока — у человека ошибка составляет один на три тысячи «неправильный» аминокислотный остаток

В результате получается матричная РНК (мРНК), которая и используется рибосомами в качестве программы для синтеза белка. Сам синтез, т.е. перевод генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности белка, называется трансляцией.

Механизм трансляции

Трансляция — это процесс образования белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) кислоты (и-РНК, м-РHК), приводимый в действие рибосомой.

Основной задачей функционирования живой клетки считается биосинтез белка. Для воспроизведения этой операции абсолютно во всех клеточных организмах находятся рибосомы. Они являются рибонуклеопротеидными комплексами, в которых участвуют малая и большая субъединицы. Роль рибосомы состоит:

• в распознавании трехнуклеотидных кодонов м-РНК;
• в соотношении соответствующих им антикодонов т-РНК, переносящих аминокислоты;
• во включении этого груза в увеличивающуюся белковую цепь.

Продвигаясь вдоль молекулы м-РНК, органелла образует белок согласно информации, имеющейся в молекуле м-РНК. Для различия аминокислот в клетке существуют особые «адаптеры», молекулы транспортной рибонуклеиновой кислоты (т-РHК). Они напоминают форму листа клевера, имеющего область (антикодон), соответствующую кодону м-РНК, и ещё один участок для присоединения аминокислоты, комплиментарной этому кодону.

Прикрепление аминокислот к т-РНК происходит в энергозависимой реакции с помощью ферментов аминоацил-т-РHК-синтетаз, а образованная молекула носит название аминоацил-т-РНК. Следовательно, вся специфика трансляции может быть определена взаимосвязью кодона м-РНК и антикодона т-РНК, а также характерной особенностью аминоацил-т-РНК-синтетаз, прикрепляющим аминокислоты точно к соответствующим т-РНК.

Механизмы трансляции эукариотических и прокариотических клеток имеют серьезное отличие, из-за этого множество соединений, угнетающих трансляцию прокариот, в меньшей мере оказывает влияние на трансляцию высших особей. Такая особенность позволяет применять их в медицине в виде противобактериальных средств, не приносящих вред организму млекопитающих. Если кратко, то вся процедура трансляции подразделяется на три основных этапа:

• инициация — распознавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза;
• элонгация — сама операция образования белка;
• терминация — опознавание терминирующего кодона и отделение продукта.

История исследований

Органеллы изначально были определены как уплотнённые частички. Это сделал уроженец Румынии, гражданин Америки и клеточный биолог Джордж Паладе в 50-х гг. XIX в. В 1974 г. ему и Кристиану Де Дюву вручили Нобелевскую премию по медицине и физиологии за прорыв в знаниях о структурной и функциональной деятельности клетки.

В 1958 г. проходил симпозиум, посвящённый органеллам и их участию в белковом синтезе. В рамках этого мероприятия Ричард Робертс предложил сменить название «рибонуклеопротеидная частица микросомальной фракции» на менее ёмкое «рибосома». В 60-х гг. началось мутационное и биохимическое изучение органеллы, которое впоследствии помогло точно расписать большинство структурных и функциональных отличительных черт рибосомы.

В начале 2000-х гг. были созданы модели с атомным разрешением (до 2,4 А) конструкций отдельных субъединиц, а также полной рибосомы прокариот, связанной с разными субстратами, позволившими осознать устройство декодинга (узнавание антикода т-РНК, соответствующего кодону м-РНК) и подробности взаимосвязи рибосомы, т-РНК, м-РНК, причины трансляции и разных антибиотиков.

Это крупное достижение в молекулярной биологии было заслуженно отмечено Нобелевской премией по химии в 2009 г. «За исследования структуры и функций рибосомы». Лауреатами стали:

• американец Томас Стейц.
• британец уроженец Индии Венкатраман Рамакришнан.
• гражданка Израиля Ада Йонат.

В 2010 г. в лаборантской Марата Юсупова была открыта трёхмерная конструкция рибосомы эукариот.

В 2009 г. биохимики из Канады Сергей Штейнберг и Константин Боков из университета Монреаля, изучив третичную структуру кислоты рибосомы бактерии Escherichia coli, выдвинули обоснованную гипотезу о том, что органелла могла зародиться в результате постепенного эволюционного развития из простейшей малой молекулы РНК — проторибосомы, способной к катализации реакции соединения двух аминокислот.

Все оставшиеся конструктивные блоки рибосомы постепенно добавлялись к проторибосоме, не изменяя её строение и планомерно увеличивая продуктивность её деятельности.

Еще в школе детей начинают знакомить с рибосомой. Ее функционал перестал оставаться тайной для человека. Может показаться, что все загадки относительно этого органоида разгаданы. Однако за последние десятилетия в области исследования рибосом происходит значительный переворот.

Декодирование и синтез

В клетках эукариот одну мРНК обычно транслирует сразу множе­ство рибосом, образуя так называемые полисомы, которые можно отчетливо видеть с помощью электронной микроскопии, позволяющей получать увеличение в десятки тысяч раз.

Как поступают в рибосому аминокислоты, являющиеся строитель­ными кирпичиками для синтеза белка? Еще в 50-х годах прошлого столетия были открыты особые «перевозчики», доставляющие аминокислоты в рибосому, — короткие (длиной менее 80 нуклеотидов) транспортные РНК (тРНК). Специальный фермент присоединяет аминокислоту к одному из концов тРНК, причем каждой аминокислоте соответствует строго определенная тРНК. Синтез белка на рибосоме включает три основные стадии: начало, удлинение полипептидной цепи и окончание.

Сама рибосома — одна из самых сложно организованных молекулярных машин клетки — состоит из двух неравных частей, так называемых субчастиц (малой и большой). Ее можно легко разделить на части центрифугированием при сверхвысоких скоростях в специальных пробирках с раствором сахарозы, концентрация которой увеличивается сверху вниз. Поскольку малая субчастица в два раза легче большой, они движутся от верха пробирки к дну с разными скоростями.

Малая субчастица отвечает за декодирование генетической информации. Она состоит из высокомолекулярной рибосомной РНК (рРНК) и нескольких десятков белков (около 20 у прокариот и более 30 — у эукариот).

В раковых клетках резко повышается уровень некоторых рибосомных белков. Возможная причина — сбои в механизмах авторегуляции их производства

Большая субчастица, ответст­венная за образование пептидной связи между аминокислотными остатками, состоит из нескольких рРНК: одной высокомолекулярной и одной (или двух в случае эукариот) низкомолекулярной, а также нескольких десятков белков (более 30 у прокариот и до 50 у эукариот). О масштабе деятельности рибосом можно судить хотя бы по тому факту, что рибосомная РНК составляет около 80 % всей РНК клетки, тРНК, транспортирующая аминокислоты, — около 15 %, тогда как матричная РНК, несущая информацию о белковой последовательности, — лишь 5 %!

Нужно отметить, что рибосомные белки наделены множеством других, дополнительных функций, которые могут проявляться на разных этапах жизнедеятельности клетки. Например, рибосомный белок S3 человека — один из ключевых белков центра связывания мРНК на рибосоме — принимает также участие в «ремонте» повреждений в ДНК (Kim et al., 1995), участвует в апоптозе (запрограммированной гибели клетки) (Jung et al., 2004), а также защищает от разрушения белок теплового шока (Kim et al., 2006).

Кроме того, чересчур интенсивный синтез некоторых рибосомных белков может свидетельствовать о развитии злокачественной трансформации клетки. Например, значительное повышение уровня пяти рибосомных белков было обнаружено в опухолевых клетках толстого кишечника (Zhang et al., 1999). Недавно сотрудниками лаборатории структуры и функции рибосом ИХБФМ СО РАН был открыт новый механизм авторегуляции биосинтеза рибосомных белков у человека, основанный на принципе обратной связи. Не­управляемый синтез рибосомных белков, характерный для опухолевых клеток, вероятно, вызван сбоями именно в этом механизме. Дальнейшие исследования в этой области представляют особый инте¬рес не только для ученых, но и для медиков.

Работает как «рибозим»

Удивительно, но, несмотря на миллиарды лет эволюции, разделяющие бактерии и человека, вторичная структура рибосомальных РНК у них мало различается.

О том, как уложена рРНК в субчастицах и каким образом она взаимодействует с рибосомными белками, до недавнего времени было известно не много. Революционный сдвиг в понимании устройства рибосомы на молекулярном уровне произошел на рубеже нового тысячелетия, когда с помощью рентгеноструктурного анализа удалось расшифровать на уровне отдельных атомов структуру рибосом простейших организмов и их модельных комплексов с мРНК и тРНК. Это позволило понять молекулярные механизмы декодирования генетической информации и образования связей в молекуле белка.

Оказалось, что оба важнейших функциональных центра рибосомы — как декодирующий на малой субчастице, так и отвечающий за синтез белковой цепочки на большой субчастице — сформированы не белками, а рибосомной РНК. То есть, рибосома работает подобно рибозимам — необычным ферментам, состоящим не из белков, а из РНК.

Рибосомные белки, тем не менее, также играют важную роль в работе рибосомы. В отсутствие этих белков рибосомные РНК совершенно неспособны ни декодировать генетическую информацию, ни катализировать образование пеп­тидных связей. Белки обеспечивают необходимую для работы рибосомы сложную «укладку» рРНК в функциональных центрах, служат «передатчиками» изменений пространственной структуры рибосомы, необходимых в процессе работы, а также связывают различные молекулы, влияющие на скорость и точность процесса белкового синтеза.

Сама рабочая схема белкового цикла в принципе одинакова для рибосом всех живых существ. Однако до сих пор неизвестно, до какой степени схожи молекулярные механизмы работы рибосом у разных организмов. Особенно не хватает информации об устройстве функциональных центров рибосом высших организмов, которые изучены гораздо хуже, чем рибосомы простейших.

Это связано с тем, что многие из методов, успешно использованных для исследования рибосом прокариот, оказались для эукариот неприменимыми. Так, из рибосом высших организмов не удается получить кристаллы, пригодные для рентгеноструктурного анализа, а их субчастицы невозможно «собрать» в пробирке из смеси рибосомных белков и рРНК, как это делается у простейших.

Образование в клетке

Субъединицы рибосом формируются в ядрышке. Матрицей для синтеза рибосомальной РНК является ДНК. Для полного созревания они проходят несколько этапов:

• Эосома – первая фаза, при этом в ядрышке на ДНК синтезируется лишь рРНК;
• неосома – структура включающая не только рРНК, но и белки, после ряда модификаций выходит в цитоплазму;
• рибисома – зрелая органелла, состоящая из двух субъединиц.

Функции элементов рибосом
Структура	Строение	Функции
Большая субъединица	Большая субъединицаТреугольная, в диаметре 16нм, состоит из 3 молекул РНК и 33 белковых молекулТрансляция, декодирование генетической информации	Трансляция, декодирование генетической информации
Малая субъединица	Вогнутая, овальная, в диметре 14нм, состоит из 1 молекулы РНК и 21 белковых молекул	Объединение аминокислот, создание пептидных связей, синтез новых молекул белка

Рибосома — молекулярный фильтр?

В данной статье невозможно описать все эксперименты, проведенные исследователями во время поиска ответов на эти вопросы, хотя многие из них были крайне смелыми и новаторскими и, несомненно, увлекли бы читателя. Но мы ограничимся наиболее значительными, а также опишем ключевые научные идеи, лежащие в основе современного взгляда на рибосому.

Дело в том, что в мРНК есть не только области, кодирующие аминокислотную последовательность белка, но и области, имеющие чисто регуляторное назначение (рис. 4). С их помощью начинать синтезировать белок рибосома может по двум разным механизмам.

Рисунок 4. Белки могут образовываться двумя разными способами. Слева изображен кэп-зависимый механизм начала трансляции. Рибосома садится на кэп, который располагается на одном из концов мРНК, в так называемой нетранслируемой области (НТО), так как она не «переводится» в белок, а является чисто регуляторной. Справа — кэп-независимый механизм. Рибосома садится на IRES, который, благодаря своей сложной пространственной структуре (в рамке), направляет ее к старт-кодону.

рисунок автора статьи

Первый носит название кэп-зависимого, или сканирующего. На одном из концов молекулы мРНК имеется специальная структура — кэп (молекула 7-метилгуанозина), на который перед началом синтеза садится рибосома. Сев, она движется вдоль молекулы мРНК, сканируя ее на предмет старт-кодона, кодирующего первую аминокислоту белка. Найдя старт-кодон, рибосома начинает синтез.

При втором механизме, кэп-независимом, характерном в основном для вирусов, рибосома садится на специальную область, называемую IRES (Internal Ribosomal Entry Site; в переводе с англ. — «сайт внутренней посадки рибосомы»), которая и направляет ее к старт-кодону.

Так вот, гипотеза рибосомного фильтра предполагала, что «фильтрование» происходит за счет специфического взаимодействия рибосомных белков и рРНК с определенными областями мРНК, которые могут запускать синтез белка по схожему с IRES принципу. Такие взаимодействия должны носить конкурирующий характер. Это значит, что мРНК, обладающие одинаковыми или схожими областями, будут соперничать за связывание с рибосомой, и эффективность их трансляции будет различна.

Способность клетки менять состав рибосом также имеет огромное значение для работы «фильтра». Добавление или утрата некоторых компонентов может приводить к пространственной недоступности областей рибосомы, взаимодействующих с мРНК, а значит, будет блокировать и синтез некоторых белков. Именно так, по мнению авторов гипотезы, могла меняться специфичность «фильтра».

Гипотеза рибосомного фильтра породила другую гипотезу — о специализации рибосом . Специализация — следствие гетерогенности, то есть избирательность рибосом в отношении мРНК, которая приводит к синтезу только каких-то определенных белков, закодированных в «избранных» рибосомой молекулах мРНК. К сожалению, ввиду отсутствия приборов и методов, с помощью которых можно было бы экспериментально проверить описанные идеи, эти гипотезы так и оставались гипотезами некоторое время.

В заключение

История рибосомы, начавшаяся более шестидесяти лет назад, — яркий пример процесса научного поиска, который привел к изменению нашего взгляда на работу и функции рибосомы. Сейчас мы не можем сказать, чем закончится эта история, к каким результатам и открытиям она приведет.

В науке не бывает незначительных результатов. Мы, обыватели, привыкли, что ее достижения влияют на нашу жизнь, а, следовательно, должны быть масштабными и иметь непосредственное практическое применение. Например, открытие пенициллина — первого антибиотика — позволило спасти миллионы жизней и дало виток новому направлению исследований, до сих пор не утратившему актуальности. Масштаб и польза налицо. Однако нам следует помнить, что в области познания не бывает «больших» и «малых» достижений. Любой научный результат — это всегда движение вперед, это всегда большая победа, созданная огромным кропотливым трудом целой плеяды ученых. Так же и исследования рибосомы. Возможно, они станут еще одним штрихом, добавленным учеными к нашей картине мира, а возможно, приведут к колоссальному прорыву, например, в лечении онкологических заболеваний.

• Две рибосомные субъединицы объединили в функциональный гибрид;
• Грайфер Д.М, Карпова Г.Г., Малыгин А.А. (2006). Рибосома — минифабрика по производству белков. «Наука из первых рук»;
• У истоков генетического кода: родственные души;
• Эволюция генетического кода;
• Рибосома за работой;
• Самые нестандартные генетические коды;
• Таинственный код нашего генома;
• Bruce Alberts. (1998). The Cell as a Collection of Protein Machines: Preparing the Next Generation of Molecular Biologists. Cell. 92, 291-294;
• G. E. Palade. (1955). A SMALL PARTICULATE COMPONENT OF THE CYTOPLASM. The Journal of Cell Biology. 1, 59-68;
• Palade G.E. (1958). Microsomes and ribonucleoprotein particles. Microsomal Particles and Protein Synthesis, First Symposium of the Biophysical Society. 36–61;
• Crick F.H.C. (1958). On protein synthesis. Symp. Soc. Exp. Biol. 12, 138–163;
• Shifeng Xue, Maria Barna. (2012). Specialized ribosomes: a new frontier in gene regulation and organismal biology. Nat Rev Mol Cell Biol. 13, 355-369;
• J. Gunderson, M. Sogin, G Wollett, M Hollingdale, V. de la Cruz, et. al.. (1987). Structurally distinct, stage-specific ribosomes occur in Plasmodium. Science. 238, 933-937;
• Bernard Girau, César Torres-Huitzil, Nikolaos Vlassopoulos, José Hugo Barrón-Zambrano. (2009). Reaction Diffusion and Chemotaxis for Decentralized Gathering on FPGAs. International Journal of Reconfigurable Computing. 2009, 1-15;
• Ramagopal S. and Ennis H.L. (1982). Ribosomal protein synthesis during spore germination and vegetative growth in Dictyostelium discoideum. J. Biol. Chem. 257,1025–1031;
• S. Ramagopal. (1992). Are eukaryotic ribosomes heterogeneous? Affirmations on the horizon. Biochem. Cell Biol.. 70, 269-272;
• Subbanaidu Ramagopal, Herbert L. Ennis. (1984). Decay and synthesis of ribosomal proteins during Dictyostelium discoideum development. Molec. Gen. Genet.. 194, 466-470;
• V. P. Mauro, G. M. Edelman. (2002). The ribosome filter hypothesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99, 12031-12036;
• Jonathan D. Dinman. (2016). Pathways to Specialized Ribosomes: The Brussels Lecture. Journal of Molecular Biology. 428, 2186-2194;
• Zhen Shi, Kotaro Fujii, Kyle M. Kovary, Naomi R. Genuth, Hannes L. Röst, et. al.. (2017). Heterogeneous Ribosomes Preferentially Translate Distinct Subpools of mRNAs Genome-wide. Molecular Cell. 67, 71-83.e7;
• A. Narla, B. L. Ebert. (2010). Ribosomopathies: human disorders of ribosome dysfunction. Blood. 115, 3196-3205.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...