Рибосомы, фото

Рибосомы. Урок 23

Рибосомы, или  гранулы Паладе (в честь первооткрывателя Джорджа Паладе) — это немембранные органоиды всех типов клеток. У всех живых существ от бактерий до человека они устроены примерно одинаково. Это сложные комплексы из рибосомальных РНК и белков. Совместно с другими типами РНК они осуществляют синтез белка в цитоплазме клетки и её двумембранных органеллах (пластидах и митохондриях). Именно в этих маленьких гранулах происходит трансляция (элонгация) — перевод информации с языка нуклеотидов генетического кода на язык последовательности аминокислот в белке.

Рибосомы иногда встречаются и в вирусах, но появляются они там от клетки хозяина при выходе вируса наружу. Вне клетки хозяина вирусы не способны использовать эти рибосомы, они остаются в неактивном состоянии.

Рибосомы расположены в цитоплазме свободно или связаны с мембранами гранулярной ЭПС у эукариот и цитоплазматической мембраной у прокариот. Но они соединяются с мембраной только на время синтеза белка, а после снова отправляются в свободное плавание в цитоплазму. Несколько рибосом соединённые иРНК вместе называются полисомой. На полисоме синтезируется сразу несколько молекул одного белка.

Рибосомы в клетках прокариот и эукариот, фото
Рибосомы в клетках прокариот и эукариот. Источник: https://cdn.gdz4you.com/files/slides/7b1/a9e4f175979df12fd783d668f10eed49.jpeg

Как устроены рибосомы?

Рибосомы — это самые мелкие клеточные органеллы (около 20 нм), увидеть которые можно только в электронный микроскоп. Свой размер в клетке они компенсируют количеством. В клетке кишечной палочки (Escherichia coli) их насчитывают от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч в зависимости от фазы роста клеточной культуры и интенсивности клеточного деления. В клетках млекопитающих около 10 млн. рибосом.

Состоят рибосомы из большой (главной) и малой (вспомогательной) субъединиц (субчастиц) сложной конфигурации, а не шарообразной как думали раньше. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК (декодирует), а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка. В период отдыха эти субъединицы располагаются в цитоплазме отдельно друг от друга, собираются на время синтеза белка. Ни большая, ни малая субъединицы не могут работать по отдельности, для трансляции обязательно требуется их объединение.

Строение рибосом, фото
Строение рибосом

Рибосомы выделяют из клеток медом центрифугирования, это помогло узнать, что существует 2 типа этих органоидов:

  • крупные (80S) — характерны для эукариотических клеток, построенные из субчастиц 60S и 40S;
  • мелкие (70S) — присутствуют в клетках прокариот, состоят из 50S и 30S субчастиц. Они же, но несколько изменённые, есть в митохондриях и пластидах эукариот, что и позволило учёным выдвинуть теорию симбиогенного происхождения этих клеточных органелл.
Сравнение рибосом про- и эукариот, фото
Источник: https://s0.slide-share.ru/s_slide/ca51476b60b78d365c29b14f4d62e3f4/df749625-3057-49b4-b895-0fc9a47bcc7a.jpeg

Устроены рибосомы очень сложно, почти ни одна из более 50 молекул, входящих в их состав не повторяется и занимает в них определённое место. Обе субъединицы рибосомы состоят из рибонуклеопротеинов (т.е. рРНК и белков), обладающих ферментативной активностью.

Рибосомы прокариот

Лучше всего рибосомы были изучены у кишечной палочки, они состоят из большой (50S) и малой (30S) субъединиц. 30S субъединица состоит из 21 белка и одной молекулы 16S рРНК. В состав 60S субчастицы входит 34 белка и 2 молекулы рРНК (23S и 5S). Рибосомы прокариот имеют молекулярную массу 2,5 млн. Дальтон.

Сборка субъединиц рибосомы прокариот, фото
Источник: https://s0.slide-share.ru/s_slide/83125a8cf0c8145b6ff0289c11c19928/0a86f3c8-0e3a-498f-a631-7eef3be9aa2f.jpeg

S — коэффициент седиментации (осадка), зависящий от молекулярной массы и пространственной конфигурации частицы, осаждаемой при центрифугировании. Выражается в единицах Сведберга (поэтому S). Коэффициент седиментации бактериальной рибосомы равен 70S (механически складывать 50S и 30S нельзя, потому что конформация диссоциированной рибосомы отличается от конформации каждой субчастицы).

Рибосомы эукариот

Субъединицы рибосом эукариотических клеток содержат большее количество разных белков, чем бактериальные рибосомы. 40S (содержит 18S рРНК и 33 белка) и 60S (содержит 28S рРНК, 5,8S рРНК, 5S рРНК и 47 белков). Рибосомы эукариот имеют молекулярную массу 4,2 миллиона Дальтон.

За поддержание «разобранного», диссоциированного, состояния рибосомы отвечает специальный белок IF3. Он связывается с малой субъединицей и не дает ей соединиться с большой.

Сборка субъединиц рибосомы эукариот, фото
Источник: https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_biosintez_belka_dlja_4-5-go_kursa.ppt_images/Lekcija_biosintez_belka_dlja_4-5-go_kursa.ppt_40.jpg

Митохондриальные рибосомы являются по происхождению прокариотическими, однако за долгое время жизни в клетке они приобрели некоторые особенности. Пожалуй, одна из самых необычных особенностей — это то, что 5S рРНК может быть заменена в них на тРНК(!). Транспортная РНК здесь — полноценный структурный компонент рибосомы и не имеет ничего общего с теми тРНК, которые приносят аминокислоты. Согласитесь, очень необычно! Здесь мы можем наблюдать, как стирается четкая грань между рРНК и тРНК.

Источник: https://vk.com/@olymp_bio-ribosomy-chast-2

Внутреннее строение рибосом

Белки и рРНК образуют внутри рибосом ходы и полости, которым присвоены следующие названия:

  • А-участок, или А-сайт;
  • Р-участок, или Р-сайт;
  • Е-участок, или Е-сайт;
  • пептидилтрансферазный центр (П);
  • участок (сайт) связывания иРНК;
  • туннель для выхода белка.
Внутреннее строение рибосомы, фото
Внутреннее строение рибосомы. Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/af/Ribosome_mRNA_translation_uk.svg/2000px-Ribosome_mRNA_translation_uk.svg.png

Расшифруем некоторые названия этих областей:

  • А-участок назван так потому, что к нему подходит тРНК, несущая аминокислоту.
  • В Р-участке находится пептидил-тРНК — это «предыдущая» тРНК, её аминокислота уже образовала пептидную связь с растущей белковой цепочкой, но все еще связана с принесшей ее тРНК.
  • Е-участок нужен для выхода тРНК, которая уже выполнила свою функцию и отдала аминокислоту растущему белку.
  • В пептидилтрансферазном центре происходит образование пептидной связи.

В рибосоме выделяют и другие важные области — участки связывания с факторами трансляции (особые белки, необходимые для инициации, элонгации и терминации трансляции). Без факторов трансляции рибосома не функциональна.

Строение полисомы, фото
Строение полисомы. Источник: https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fbiomolecula.ru%2Farticles%2Fchtenie-molekuliarnykh-otpechatkov&cc_key=

Молекулярный состав рибосом

Рибосомы состоят из определённого количества РНК, которые в рибосомах называются рибосомальными (рРНК) и белков, в составе субъединыц находящихся на строго определённых местах и не повторяющихся. Рибосомальные РНК в рибосоме в общих чертах выполняют функцию катализирования образования пептидных связей. Но мы-то знаем, что ферментами являются белки. А оказалось вон оно как! Этот факт стал причиной выдвижения учёными гипотезы РНК-мира (что первыми в истории эволюции появились именно РНК, а не белки).

Пространственная структура рРНК, фото
Пространственная структура рРНК. Источник: https://www.ok-t.ru/studopediaru/baza1/1050390067143.files/image061.jpg

В рибосомах присутствуют 6 видов рРНК. У эукариот и прокариот они схожи и имеют общее происхождение (гомологичны), но отличаются константами седиментации, а потому и выполняемыми функциями. В рибосомах прокариот 3 рибосомальных РНК:

  • 16S рРНК — расположена в малой субъединице. Одна из её функций — прикрепление молекулы иРНК к рибосоме для начала трансляции. У 16S рРНК содержится участок, который комплементарно связывается с последовательностью Шайна-Дальгарно, присутствующей у иРНК прокариот перед старт-кодоном.
  • 23S рРНК (в большой субъединице рибосомы) — ответственна за катализ образования пептидной связи.
  • 55S рРНК (в большой субъединице) — её функции пока не ясны.

В рибосомах эукариот 4 вида рибосомальных РНК:

  • В малой субъединице находится 18S рРНК (она гомологична 16S рРНК прокариот). У эукариот нет последовательности Шайна-Дальгарно, и 18S рРНК, похоже, напрямую не связывается с иРНК.
  • В большой субъединице находятся три молекулы рРНК. 5S рРНК гомологична такой же рРНК у прокариот. 5.8S и 28S РНК гомологичны 23S рРНК прокариот и, по сути, являются двумя отдельными ее кусочками.

Все РНК, в том числе и рРНК синтезируются на матрице ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз. 

Второй вид молекул рибосом — это белки, собираются они в рибосомах цитоплазмы, затем через поры попадает в ядро клетки, где проходит сборка рибосом. Затем эти белки уже в составе субъединиц рибосом снова попадают в цитоплазму. На 30—50 % рибосомы состоит из белка, в прокариотических рибосомах их 50, в эукариотических — 80. Большая часть рибосомальных белков имеет основной характер, для многих из них установлена первичная структура.

Кроме полимеров (белков и РНК) в состав рибосом входят низкомолекулярные компоненты. Это молекулы воды, ионы металлов (главным образом Mg2+— до 2 % сухой массы рибосомы),  ди- и полиамины (такие как путресцин, кадаверин, спермидин, спермин — могут составлять до 2,5 % сухой массы рибосомы). Структура и внешний вид рибосом зависят от наличия и концентрации магния. Практически вся РНК рибосом присутствует в виде соли магния. Если снижать количество магния, то происходит диссоциация рибосом на субчастицы.

Белки и рРНК взаимодействуют друг с другом, создавая пространственную структуру для эффективного синтеза белков.

Рибосомальную РНК можно использовать в качестве хронометра эволюции, по ней удобно сравнивать степень родства организмов. Гены рРНК характеризуются низким уровнем мутационной изменчивости (т.е. они консервативны) и выполняют одинаковые функции во всех организмах. Благодаря этому по рРНК можно классифицировать организмы. Первым, кто догадался использовать рРНК таким образом, был Карл Вёзе (1928–2012).

Он секвенировал (определял последовательность) сначала 5S, а потом и 16S рРНК различных прокариот. Данные секвенирования показывали удивительную картину: среди прокариот четко выделялись две непохожие друг на друга группы. В 1977 году Вёзе в соавторстве с Джорджем Фоксом опубликовал сообщение об открытии группы архебактерий. Это открытие перевернуло взгляд ученых на систему живых организмов и привело к возникновению трёхдоменного дерева.

Филогенетическое древо живых организмов, фото
Эукариоты рассматриваются как одна из групп архей. Источник: https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fru.wikipedia.org%2Fwiki%2F%D2%F0%B8%F5%E4%EE%EC%E5%ED%ED%E0%FF_%F1%E8%F1%F2%E5%EC%E0&cc_key=

Функции рибосом — трансляция

Рибосомы являются местом, где молекулы мРНК, тРНК, белков-ферментов и других способны занимать такое положение друг относительно друга, что при их взаимодействии быстро протекает химические реакции, нужные для синтеза белков.

Транскрипция и трансляция, фото
Источник: https://cf.ppt-online.org/files/slide/s/SlghIv56woQybcUDW0Tq1LVs4XpANKYzu7eRFd/slide-1.jpg

В процессе трансляции (элонгации) рибосомы выполняют следующие функции:

  • связывание и удержание мРНК
  • удержание пептидил-тРНК
  • связывание аминоцил-тРНК
  • связывание белковых факторов трансляции
  • участие в катализе гидролиза ГТФ
  • катализ транспептидации
  • комплекс внутририбосомных перемещений, именуемых транслокацией

Этапы трансляции:

  1. Инициация.
  2. Элонгация.
  3. Терминация.
  4. Освобождение.

Инициация синтеза белка включает узнавание белками малой субъединицы участка инициации в молекуле мРНК и образование комплекса 40S-мРНК. Этот же участок мРНК с последовательностью оснований АУГ или ГУГ у 5 — конца молекулы узнает специальная инициаторная метионил-тРНК, которая присоединяется к комплексу 40S-мРНК. Соединение требует участия не менее пяти белковых факторов инициации и нуклеотидом ГТФ. Комплекс 40S-мРНК-мет.-тРНК-факторы инициации присоединяет 60S субчастицу, факторы инициации освобождаются с затратой ГТФ.

Элонгация. Здесь важную роль играют два участка в большой субъединице рибосом: пептидильный (П) и аминоацильный (А). В П-участке прикрепляется инициаторная мет.-тРНК, в А-участке — новая аминоацил-тРНК, антикодон которой соответствует очередному кодону мРНК в А-участке.

Между карбоксильной группой метионина или концевой аминокислотой уже начавшей возникать пептидной цепи и свободной аминогруппой новой аминокислоты, принесенной тРНК, образуется пептидная связь за счет энергии гидролиза эфирной связи у комплекса в П-участке с помощью пептидил-трансферазы 60S-субъединицы.

Пептидная цепь, оказавшаяся в А-участке, перемещается в П-участок при перемещении большой единицы на один кодон в направлении от 5′–конца к 3′–концу мРНК. При этом уходит деацилированная тРНК из П-участка. Освобождается А-участок. Процесс повторяется. Реакции осуществляются с участием факторов элонгации, ГТФ, ионов K и Mg.

Синтез пептида заканчивается, когда терминаторный участок мРНК достигает А-участка в транслирующей рибосоме. Терминаторный участок может иметь несколько сигнальных последовательностей.

Освобождение. Участвует белковый фактор освобождения, происходит отщепление белковой цепи от последней тРНК в П-участке и освобождениет РНК. Освободившаяся рибосома диссоциирует на субъединицы при участии одного из факторов инициации. Малая субъединица может соединяться с новой молекулой мРНК, произойдет сборка рибосомы и полисомы, которая после окончания процесса трансляции вновь диссоциирует на субъединицы.

Эти обратимые превращения рибосом получили название рибосомального цикла.

Источник: https://pandia.ru/text/82/347/67114.php

 

 

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

  

доступен плагин ATs Privacy Policy ©