Открытие рибосом год

Строение и функции рибосом. Биосинтез белков и значение рибосом для организма

Открытие рибосом год

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.

Особенности строения

Рибосомы находятся на гранулярном эндоплазматическом ретикулуме или свободно плавают в цитоплазме. Крепятся они к эндоплазматической сети своей большой субъединицей и синтезируют белок, который выводится за пределы клетки, используется всем организмом. Цитоплазменные рибосомы в основном обеспечивают внутренние потребности клетки.

Форма шаровидная или овальная, в диаметре около 20нм.

На этапе трансляции к мРНК может прикрепляться несколько рибосом, образуя новую структуру – полисому. Сами же они образуются в ядрышке, внутри ядра.

Выделяют 2 вида рибосом:

  • Малые – находятся в прокариотических клетках, а также в хлоропластах и митохондриальном матриксе. Они не связаны с мембраной и имеют меньшие размеры (в диаметре до 15нм).
  • Большие – находятся в эукариотических клетках, могут достигать в диаметре до 23нм, связываются с эндоплазматической сетью или крепятся к мембране ядра.

Схема строения

Строение обоих видов идентичное. В состав рибосомы входят две субъединицы — большая и малая, которые в сочетании напоминают гриб. Объединяются они при помощи ионов магния, сохраняя между соприкасающимися поверхностями небольшую щель. При дефиците магния субъединицы отдаляются, происходит дезагрегация и рибосомы уже не могут выполнять свои функции.

Химический состав

Рибосомы состоят из высокополимерной рибосомальной РНК и белка в соотношении 1:1. В них сосредоточено примерно 90% всей клеточной РНК. Малая и большая субъединицы содержат около четырех молекул рРНК, которая имеет вид нитей собранных в клубок. Окружены молекулы белками и формируют вместе рибонуклеопротеид.

Полирибосомы – это объединение информационной РНК и рибосом, которые нанизываются на нить иРНК. В период отсутствия синтезирующих процессов, рибосомы разъединяются и обмениваются субъединицами. При поступлении иРНК они снова собираются в полирибосомы.

Количество рибосом может изменяться в зависимости от функциональной нагрузки на клетку. Десятки тысяч находятся в клетках с высокой митотической активностью (меристема растений, стволовые клетки).

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
СтруктураСтроениеФункции
Большая субъединицаБольшая субъединица Треугольная, в диаметре 16нм, состоит из 3 молекул РНК и 33 белковых молекул Трансляция, декодирование генетической информацииТрансляция, декодирование генетической информации
Малая субъединицаВогнутая, овальная, в диметре 14нм, состоит из 1 молекулы РНК и 21 белковых молекулОбъединение аминокислот, создание пептидных связей, синтез новых молекул белка

Биосинтез белков на рибосомах

Трансляция или синтез белков на рибосомах с матрицы иРНК – конечный этап преобразования генетической информации в клетках. Во время трансляции информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, переходит в белковые молекулы со строгой последовательностью аминокислот.

Трансляция – весьма непростой этап (в сравнении с репликацией и транскрипцией). Для проведения трансляции в процесс включаются все виды РНК, аминокислот, множество ферментов, которые могут исправлять погрешности друг друга. Самые важные участники трансляции – это рибосомы.

После транскрипции, новообразованная молекула иРНК, выходит из ядра в цитоплазму. Здесь после нескольких преобразований она соединяется с рибосомой. При этом аминокислоты приводятся в действие после взаимодействия с энергетическим субстратом – молекулой АТФ.

Аминокислоты и иРНК имеют разный химический состав и без постороннего участия не могут взаимодействовать между собой. Для преодоления этой несовместимости существует транспортная РНК. Под действием ферментов аминокислоты соединяются с тРНК.

В таком виде они переносятся на рибосому и тРНК, с определенной аминокислотой, прикрепляется на иРНК в предназначенном месте. Далее рибосомальные ферменты формируют пептидную связь между присоединенной аминокислотой и строящимся полипептидом.

После рибосома перемещается по цепи информационной РНК, оставляя участок для прикрепления следующей аминокислоты.

Рост полипептида идет до того момента, пока рибосома не встретит «стоп-кодон», который сигнализирует об окончании синтеза. Для освобождения новосинтезированного пептида от рибосомы включаются факторы терминации, окончательно завершающие биосинтез. К последней аминокислоте прикрепляется молекула воды, а рибосома распадается на две субъединицы.

Когда рибосома продвигается дальше по иРНК, она освобождает начальный отрезок цепи. К нему снова может присоединиться рибосома, которая начнет новый синтез. Таким образом, используя одну матрицу для биосинтеза, рибосомы создают одномоментно множество копий белка.

Роль рибосом в организме

  1. Рибосомы синтезируют белок для собственных нужд клетки и за ее пределы. Так в печени образуются плазменные факторы свертывания крови, плазмоциты продуцируют гамма-глобулины.
  2. Считывание закодированной информации с РНК, соединение аминокислот в запрограммированном порядке с образованием новых белковых молекул.
  3. Каталитическая функция – формирование пептидных связей, гидролиз ГТФ.
  4. Свои функции в клетке рибосомы выполняют более активно в виде полирибосом. Эти комплексы способны одновременно синтезировать несколько молекул белка.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:) (26 4,58 из 5)
Загрузка…

Источник: https://animals-world.ru/stroenie-i-funkcii-ribosom-biosintez-belkov-i-znachenie-ribosom-dlya-organizma/

Рибосома синтезировала себя сама

Открытие рибосом год

Машина для синтеза белка образовалась путем самосборки из простых элементов. Российские биохимики выяснили, как из прото-РНК родилась столь сложная структура.

Возникновение живой клетки и ее отдельных элементов остается одной из самых больших загадок в биологии.

Гипотезу о происхождении рибосомы — клеточной органеллы для синтеза белка предложили наши соотечественники, работающие в Монреальском университете (Université de Montréal ) в Канаде.

Сергей Штейнберг (Sergey Steinberg), профессор биохимии, и его студент Константин Боков (Konstantin Bokov) детально изучили взаимодействие всех элементов в современной рибосоме и просчитали, как происходила самосборка первых проторибосом и их эволюция.

РНКРибонуклеиновая кислота — полимер из нуклеотидов.

Машина для производства белка

Рибосома — это клеточная структура, построенная из РНК и белка. Она состоит из двух плотных гранулярных субъединиц, большой и малой. Ее функция в клетке — обеспечивать синтез белка.

Матричная РНК (м-РНК), несущая информацию о белковой молекуле, связывается с малой субъединицей, которая распознает кодон — участок из трех нуклеотидов, соответствующий одной аминокислоте будущего белка.

Аминокислоту доставляет к месту сборки транспортная РНК (т-РНК), а сама сборка белковой молекулы из аминокислот происходит посередине между большой и малой субъединицами.

Эта сложная система слаженно работает во всех клетках организма, причем и у бактерий, и у растений, и у человека рибосомы устроены примерно одинаково. Очевидно, что эта структура сформировалась на заре возникновения жизни.

По мнению многих ученых, первый мир органических молекул был «миром РНК», когда белки еще не существовали, а молекулы РНК вступали в химические реакции и сами себя катализировали.

Но чтобы появились первые молекулы белка, должны были возникнуть хотя бы самые примитивные рибосомы — проторибосомы.

Разгадывание рибосомного «паззла»

Команда Сергея Штейнберга уже несколько лет изучает вопрос, как могли сформироваться первые рибосомы. Для этого они изучают рибосомы современные. Центральную часть рибосомы составляет РНК, а белки расположены на периферии. «Проблема возникновения рибосомы сводится к проблеме возникновения рибосомной РНК», — пишут Сергей Штейнберг и Константин Боков в Nature.

Моделью им послужила РНК рибосомы кишечной палочки E. сoli. Эта РНК состоит из шести доменов, в которых они выделили 59 элементов. Каждый элемент представляет собой петлю из цепочки нуклеотидов. Элементы связаны между собой, таким образом образуется трехмерная структура молекулы.

Среди доменов молекулы ученые выделили пятый домен, отличающийся от остальных по характеру связей его элементов. Именно здесь находится «пептидил-трансферазный центр» рибосомы, в котором происходит присоединение очередной аминокислоты к полипептидной цепи. Биологи предположили, что пятый домен — самая древняя по происхождению часть рибосомы.

Чтобы проверить предположение, исследователи применили такой прием: они последовательно удаляли разные элементы из рибосомной РНК и смотрели, как это повлияет на ее строение.

Если удаление какого-либо элемента никак не влияет на пространственную структуру остальной части молекулы, значит, он был присоединен к ней позднее.

Проанализировав результаты удаления всех элементов, ученые ранжировали их по времени приобретения в эволюции.

Получилось, что 93% элементов относятся к более поздним приобретениям, а оставшаяся часть, расположенная как раз в пятом домене, — минимально необходимая для структуры рибосомы. Без нее органелла просто разваливается. Очевидно, с пятого домена она и начиналась.

Эволюция рибосомы

Ученые предположили, что эволюция рибосомы начиналась с первичного фрагмента длиной в 110 нуклеотидов, который имел ключевой для опознания т-РНК конец.

Удвоение этого фрагмента, так что он мог опознавать уже не одну, а две т-РНК, привело к возникновению самой простой, но уже функционально активной проторибосомы, которая могла синтезировать белок.

При этом последовательность аминокислот в первичной молекуле белка на том этапе ничем не задавалась — это была случайная последовательность. Это предположение подтвердилось в эксперименте: такой димер был способен проводить реакцию присоединения одной аминокислоты к другой.

Постепенно проторибосома обрастала новыми и новыми элементами. Каждый из них встраивался в уже существующую структуру, придавая ей дополнительные свойства.

Первые восемь элементов, присоединенные к проторибосоме, придали ей дополнительную устойчивость. Следующие 12 элементов увеличили массу.

Когда все элементы были собраны воедино, сформировались две субъединицы рибосомы в комплексе с белками и другими молекулами РНК.

«Наши результаты продемонстрировали, — пишет Сергей Штейнберг, — что такая сложная структура, как рибосома, могла самостоятельно построиться из простых молекул, которые взаимодействовали между собой по очень простым химическим правилам. Это могло произойти в эволюции за относительно короткое время».

На ранних стадиях рибосомы существовали как тела, построенные исключительно из РНК, но когда они «наработали» какое-то количество белка, то стали использовать его для своей же структуры. Так мир РНК сменился миром белков, в котором мы живем сейчас.

в журнале Nature.

Источник: https://www.infox.ru/news/9/9832-ribosoma-sintezirovala-seba-sama

Рибосомы – химический состав, строение и функции органоида клетки

Открытие рибосом год

В состав рибосомы входят особые РНК (рибосомные). А также своеобразные белки и малочисленные низкомолекулярные составляющие.

РНК органеллы

За структуру и работоспособность рибосомы в первую очередь отвечает её РHК.

Рибонуклеиновая кислота органеллы или р-РНК в составе органеллы весьма компактна, обладает сложной третичной конструкцией и часто усыпана молекулами разных белков органеллы.

Освобождённые от белковых соединений высокомолекулярные р-РHК в особых условиях самостоятельно скручиваются в мелкие частицы, по своей морфологии очень похожие на субчастицы рибосомы, основой которых они и являются.

Исходя из этого, общая схема структурной организации органеллы определяется свойствами р-РHК. Третичное устройство р-РНК служит каркасом для позиционирования рибосомных белков, которые в определённом понимании выполняют лишь второстепенную задачу в образовании и сохранении структуры рибосомы и её жизнедеятельности.

Есть предположение, что развитие органеллы началось ещё в добелковый период, и предшественниками рибосом были своеобразные древнейшие рибозимы.

Предполагают, что в процессе эволюции (появление более сложной ступени организации живых организмов) рибозимы, способные к катализации появления амидных соединений тоже поддавались прогрессу (дополнялись различными аппаратами, а со временем и образованными ими полипептидами), вплоть до появления нынешнего модуля для синтеза белка, принимая во внимание рибосому.

Нынешняя органелла по своему содержанию до сих пор остаётся рибозимом, так как главная структурно-функциональная деятельность принадлежит её собственной кислоте, а не белкам, как считалось раньше.

В состав пептидилтрансферазного центра входит только кислота. То обстоятельство, что в то время, как почти во всех процессах жизненного функционала главную задачу выполняют белки, в образовании их самих основная роль принадлежит РНК, обеспечивает весомый аргумент в защиту гипотезы о пространстве РНК как о древнейшем добелковом периоде развития живой ткани.

РНК малой субъединицы

Рибосомная рибонуклеиновая кислота маленькой частицы органоида имеет маркировку 16 S р-РHК в случае органелл бактерий и 16 S -подобная р-РHК в других ситуациях. Чаще всего р-РНК маленькой субъединицы образована из одной ковалентно непрерывной полирибонуклеотидной цепочки.

Число звеньев нуклеотидов, как и постоянной величины седиментации, для экземпляров 16 S-подобных р-РHК из разных источников могут серьёзно отличаться. В рибосомах бактерий и пластидов высших представителей растительного мира эти частицы обладают размером порядка 1500 нуклеотидных остатков.

Для 16 S-подобных р-РНК цитоплазменных рибосом клеток с выраженным ядром, а также для митохондриальных рибосом высших растений и грибов типична длина до 2 тыс. нуклеотидных остатков (18 S р-РHК). Органеллы митохондрий млекопитающих животных содержат довольно короткие 16 S-подобные р-РНК (9 — 12 S), состоящие из 950 нуклеотидных остатков.

Рибонуклеиновая кислота большой частицы

Высокомолекулярная рибонуклеиновая кислота, представляющая основу конструкции большой субъединицы рибосомы, имеет обозначение 23 S р-РHК (для бактерий) и 23 S-подобная р-РНК (для иных случаев). Бактериальная 23 S р-РНК, точно также как и 16 S р-РHК имеет вид полирибонуклеотидной ковалентно непрерывной цепочки.

Вместе с этим 23 S-подобная р-РНК органеллы цитоплазмы эукариотических клеток включает в себя две прочно сгруппированных полирибонуклеотидных цепочек — 28 S и 5,8 S р-РHК. Таким же образом 23 S-подобная р-РHК рибосом пластидов растительных видов состоит из двух крепко соединённых полирибонуклеотидных цепей и включает 4,5 S р-РНК.

Белки органоида

Кроме р-РНК, в состав органеллы входят порядка пятидесяти (прокариоты) или восьмидесяти (эукариоты) разных белков. Почти каждый из них имеет один лишь экземпляр на отдельную рибосому. Доминируют умеренно-осно̀вные белки.

Бо̀льшая часть белков органоида эволюционно консервативна, а белки от разных ресурсов могут соотноситься как подобные. Это учитывается в нынешнем универсальном перечне рибосомных белков. Сама органелла состоит почти на 50% из белка.

Помимо биополимеров (белки, рибонуклеиновая кислота) составными частями рибосом являются отдельные низкомолекулярные составляющие. Это частицы воды, ионы металлов (в основном Mg2+), поли- и диамины, которые могут составлять до 2,5% сухой массы рибосомы.

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.

Источник: https://nauka.club/biologiya/ribosomy.html

Рибосома – минифабрика по производству белков

Открытие рибосом год
: 11 Ноя 2006 , Загадки “ржавой” ДНК , том 12, №6

Одним из наиболее сложных процессов, осуществляемых живыми существами, является, пожалуй, синтез белков — важнейших структурных и функциональных «кирпичиков» любого организма. Подлинное понимание молекулярных процессов, лежащих в его основе, могло бы пролить свет на неимоверно давние события, связанные с тайной зарождения самой Жизни…

Во всех живых организмах, от простейших бактерий до человека, белки синтезируются специальными клеточными устройствами рибосомами. На этих уникальных фабриках происходит образование белковой цепи из отдельных аминокислот.

В клетках, ведущих интенсивный белковый синтез, рибосом очень много: так, в одной бактериальной клетке содержится около 10 тыс. этих минифабрик, составляющих до 30% общей сухой массы клетки! В клетках высших организмов рибосом содержится меньше — их число зависит от типа ткани и уровня метаболизма клетки.

Рибосома синтезирует белок со средней скоростью 10—20 аминокислот в секунду. Точность трансляции исключительно высока — ошибочное включение «неправильного» аминокислотного остатка в цепь белка составляет в среднем одну аминокислоту на 3 тыс. звеньев (при средней длине белковой цепи у человека в 500 аминокислотных остатков), т. е. всего одна ошибка на шесть белков.

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.

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.

От низших — к высшим

И все-таки способы получения сведений о строении функциональных центров рибосом высших организмов существуют. Одним из таких методов является метод химического аффинного сшивания, разработанный 35 лет назад в отделе биохимии НИОХ СО АН СССР (ныне ИХБФМ СО РАН) под руководством академика Д. Г. Кнорре.

Метод основан на использовании коротких синтетических мРНК, несущих в выбранном положении химически активные («сшивающие») группы, которые в нужный момент можно активировать (например, облучая мягким ультрафиолетовым светом).

Метод аффинного химического сшивания был разработан 35 лет назад в отделе биохимии НИОХ СО АН СССР (ныне ИХБФМ СО РАН) под руководством академика Д. Г. Кнорре.До появления рентгеноструктурного анализа рибосом он использовался во всем мире для изучения рибосом у прокариот.
Этот метод и сегодня является основным для изучения структурно-функциональной организации рибосом высших организмов

Достоинство этого метода в том, что сшивающую группу можно присоединить практически к любому нуклеотидному остатку мРНК и в результате получить детальную информацию о его окружении на рибосоме.

Используя набор коротких мРНК с разным расположе­нием сшивающей группы, нам удалось определить рибосомные белки и нуклеотиды рРНК рибосомы человека, образующие канал для считывания генетической инфор­мации в процессе трансляции.

Впервые экспериментально удалось показать, что все нуклеотиды рРНК малой рибосомной частицы человека, соседствующие с кодонами мРНК, расположены в консервативных районах вторичной структуры молекулы рРНК.

Более того, их расположение совпадает с положением соответствующих нуклеотидов во вторичной структуре рРНК рибосом низших организмов.

Это позволило сделать вывод, что эта часть рибосомной РНК малой субчастицы составляет эволюционно консервативный «кор» (сердцевину) рибосомы, структурно идентичный у всех организмов.

С другой стороны, в устройстве мРНК-связывающего канала рибосом у человека и низших организмов обнаружен ряд принципиальных различий. Оказалось, что у высших организмов рибосомные белки играют намного большую роль в формировании этого канала, чем у прокариот, кроме того, в этом участвуют также белки, не имеющие «двойников» (гомологов) у низших организмов.

Почему же, несмотря на то, что функция рибосомы практически не изменилась в процессе эволюции, в организации декодирующего центра рибосом у высших организ­мов появились специфичные черты? Вероятно, это связано с более сложной и многостадийной регуляцией белкового синтеза у эукариот по сравнению с прокариотами, в ходе которой рибосомные белки мРНК-связывающего канала могут взаимодействовать не только с мРНК, но и с различными факторами, влияющими на эффективность и точность трансляции. Так ли это, покажут дальнейшие исследования.

: 11 Ноя 2006 , Загадки “ржавой” ДНК , том 12, №6

Источник: https://scfh.ru/papers/ribosoma-minifabrika-po-proizvodstvu-belkov/

Рибосомы

Открытие рибосом год

Рибосомы (ribosome) является немембранные органелл клетки, состоящий из рРНК и рибосомных белков (протеинов). Рибосомы осуществляет биосинтез белков транслируя с мРНК полипептидную цепь. Таким образом, рибосому можно считать фабрикой, производящей белки, основываясь на имеющейся генетической информации.

В клетке созревшие рибосомы находятся преимущественно в компартментах, для активного белкового синтеза. Они могут свободно плавать в цитоплазме или быть прикрепленными к цитоплазматического стороны мембран эндоплазматического ретикулума или ядра. Активные (те что есть в процессе трансляции) рибосомы находятся преимущественно в виде полисом.

Существует ряд свидетельств, указывающих на то, что рибосома является рибозимов.

Исторический обзор

Рибосомы было обнаружено в начале 1950-х годов. Первое глубокое исследование и описание рибосом, как клеточных органелл, было совершено Джорджем Паладе (George E. Palade).

По имени исследователя, рибосомы были названы «частицами Паладе», но впоследствии, в 1958 году, их было переименовано в «рибосомы», учитывая высокое содержание РНК.

Роль рибосом в биосинтезе белков было установлено более десятилетием позже.

Синтетическая рибосома

После отсоединения от мРНК и началом нового раунда трансляции рибосомальные малая и большая субъединицы отделяются друг от друга. Поэтому, создание синтетической рибосомы было технически сложным, поскольку синтетические и имеющиеся в клетке субъединицы смешивались от раунда к раунду трансляции.

Начиная с конца 90-х годов 20 века удалось создать несколько видов мутантных малых субъединиц рибосомы, которые имели специфическую последовательность в 16S рРНК и соединялись с мРНК, в которой последовательность Шайна-Дальгарно была специфически синтезирована для взаимодействия с модифицированной 16S рРНК. Это позволило выполнять отбор мутировавших малых субъединиц РНК от нативных и интрудукуваты несколько мутаций для изучения свойств синтеза белка.

Однако большая рибосомальная субъединица представила проблемы, поскольку при создании синтетического варианта не бело возможности заставить его отделяться от мРНК или от малой субъединицы после завершения одного раунда трансляции.

Большая субъединица содержит важные для изучения структуры, такие как канал для выхода синтезируемого белка и сайт PTC (англ.

Peptidyl transferase centre), в котором происходит соединение аминокислоты, присоединена к тРНК, которая находятся на А-сайте рибосомы, к пептидильного цепи , который соединен к молекуле тРНК, которая находится на P-сайи рибосомы

В июле 2015 года удалось синтезировать первую полностью синтетическую рибосому. Для того, чтобы большая и малая субъединицы НЕ отсоединялись, их было связано в одну молекулу путем синтеза 16S-23S конструкта (Ribo-T). Такая синтетическая рибосома успешно выполняла синтез белка не только in vitro, но и поддерживала рост E.coli при вынужденной отсутствия нативных рибосом.

Общее строение

Рибосомы прокариот и эукариот очень похожи по строению и функции, но отличаются размером. Они состоят из двух субъединиц: одной большой и одной малой. Для процесса трансляции необходимо слаженное взаимодействие обеих субъединиц, вместе составляют комплекс с молекулярной массой несколько миллионов Дальтон (Da).

Субъединицы рибосом обычно обозначаются единицами Сведберга (S), является мерой скорости седиментации при центрифугирования и зависят от массы, размера и формы частицы.

Обозначены в этих единицах, большая субъединица является 50S или 60S (прокариотические или эукариотические, соответственно), имела является 30S или 40S, и целая рибосома (комплекс малой вместе с большой) 70S или 80S.

Молекулярный состав

Молекулярный состав рибосом является достаточно сложным. Например, рибосома дрожжей “Saccharomyces cerevisiae” состоит из 79 рибосомных белков и 4 различных молекул рРНК. Биогенез рибосом также чрезвычайно сложным и многоступенчатым процессом, происходящим в ядре и ядрышке эукариотической клетки.

Атомная структура большой субъединицы (50S) организма Haloarcula marismortui была опубликована N. Ban et al. В журнале Science 11 августа 2000. Вскоре после этого, 21шого сентября 2000 года, BT Wimberly, et al.

, Опубликовали в журнале Nature структуру 30S субъединицы организма Thermus thermophilus. Используя эти координаты, MM Yusupov, et al.

Сумели реконструировать целую 70S частичку Thermus thermophilus и опубликовать ее в журнале Science, в Мае 2001 В 2009 году профессор Джордж Чьорч (George Church) и коллеги из Гарварда создали полностью функциональную искусственную рибосому в обычных условиях , которые присутствуют в клеточном среде. Как конструкционные элементы использовались молекулы с расщепленной с помощью энзимов кишечной палочки. Созданная рибосома успешно синтезирует белок, отвечающий за биолюминесценцию.

Центры связывания РНК

Рибосомы содержит четыре сайты связывания для молекул РНК: один для мРНК и три для тРНК. Первый сайт связывания тРНК называется сайтом 'аминоацил-тРНК “, или” А-сайтом “. В этом сайте содержится молекула тРНК “заряженная” “следующей” аминокислотой.

Другой сайт, “пептидил-тРНК 'связывающий, или” P-сайт “, содержит молекулу тРНК, связывает растущий конец полипептидной цепи. Третий сайт, это “сайт выхода”, или “E-сайт”. В этот сайт попадает пустая тРНК которая избавилась растущего конца полипептида, после его взаимодействия с последующей “заряженной” аминокислотой в пептидильному сайте.

Сайт связывания мРНК находится в малой субъединицы. Он удерживает рибосому “нанизанной” на мРНК которую рибосома транслирует.

Функция

Рибосомы являются органелл, на которой происходит трансляция генетической информации, закодированной в мРНК. Эта информация воплощается в синтезированный тут же полипептидную цепь.

Рибосомы несет двоякую функцию: является структурной платформой для процесса декодирования генетической информации с РНК, и владеет каталитическим центром ответственным за формирование пептидной связи, так называемым “пептидил-трансферазним центром”.

Считается пептидил-трансферазна активность ассоциируется с рРНК, и поэтому рибосома является рибозимов.

Локализация рибосом

Рибосомы классифицируются как свободные (находятся в гиалоплазме) и несвободные или прикрепленные (связанные с мембранами эндоплазматической сети).

Свободные и прикреплены рибосомы отличаются только локализацией, но они структурно идентичны. Рибосому называют свободной или прикрепленной в зависимости от того белок синтезируемый имеет ЭР-нацеленную сигнальную последовательность, поэтому индивидуальная рибосома может быть прикрепленной создавая один белок, но свободной в цитозоле когда создает другой белок.

Рибосомы иногда называют органеллами, но использование термина органеллы ограничивается субклеточном компонентами которых фосфолипидную мембрану, а рибосома (being entirely particulate) таковой не является. Поэтому рибосомы иногда описывают как “немембранные органеллы”.

Общая информация

В эукариотических организмах рибосомы можно найти не только в цитоплазме, но и внутри в некоторых крупных мембранных органеллах, в частности в митохондриях и хлоропластах.

Строение и молекулярный состав этих рибосом отличается от состава обще-клеточных рибосом, и является близким в состав рибосом прокариот.

Такие рибосомы синтезируют органелл-специфические белки, транслируя органелл-специфическую мРНК.

В эукариотических клетках долгое время считалось, что рибосомы, прикрепленные к эндоплазматического ретикулума выполняют синтез белков, которые будут секретируемого наружу или трансмембранных или других сигнальных белков, присоединенных к плазмалеммы. Рибонуклеопротеин SRP (англ.

Signal recognition particle) выполняет распознавание тех белков в процессе синтеза, которые должны быть трансмембранными и присоединяет рибосому к эндоплазматического ретикулума. Однако в последнее время исследования указывают, что 50-75% рибосом могут быть прикреплены к ЭПР за не до конца выяснены механизмы и большинство белков в клетке проходит синтез в рибосомах, прилегающих к ЭПР.

Так, в клеточной линии HEK-293 75% мРНК видповидяе цитозольным белкам, однако до 50% рибосом связанные с ЭПР.

Болезни

Считается, что генетические дефекты рибосомных белков и факторов биогенеза рибосом является летальными на ранних эмбриональных стадиях развития высших организмов.

Экспериментальный мутагенез рибосомных белков в Drosophila melanogaster (мутации minute) вызывает общий фенотип: заниженная скорость митоза, уменьшен размер тела, заниженная фертильность, короткие реснички.

Существует ряд свидетельств связывающих раковую трансформацию клеток млекопитающих с расстройствами трансляционной системы в целом и расстройствами системы биогенеза рибосом в частности.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/r/ribosomy.html

О вашем здоровье
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: