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.

Так выглядит рибосома

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 рибосом
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.
iv>
Функции элементов рибосом
Структура
Строение
Функции
Большая субъединица Большая субъединица Треугольная, в диаметре 16нм, состоит из 3 молекул РНК и 33 белковых молекул Трансляция, 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

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.

Источник: animals-world.ru

Рибосома: от «слов» к «делу»

Трое лауреатов Нобелевской премии по химии за 2009 год — Ада Йонат (Ada Yonath), Томас Стейц (Thomas Steitz) и Венкатраман Рамакришнан (Venkatraman Ramakrishnan) — награждены за картирование рибосомы — одной из наиболее сложно устроенных органелл клетки — на атомном уровне. Рибосома «считывает» информацию с матричной РНК (мРНК) и, основываясь на этой информации, синтезирует белок. (По-научному этот процесс называют трансляцией.) В процессе этого информация переходит с «языка» нуклеиновых кислот на язык белков, и жизнь предстаёт во всей красоте своей изящной сложности.


Рибосомы присутствуют в клетках всех организмов — от бактерий до человека. Поскольку эти органеллы жизненно необходимы для любого существа, рибосомы являются прекрасной мишенью для фармацевтического действия. Множество современных антибиотиков воздействует на бактериальные рибосомы, оставляя рибосомы человека в покое, —  а, следовательно, знания, добытые нынешними нобелевскими лауреатами, открывают прямую дорогу к антибиотикам нового поколения. Однако подробнее об этом чуть позже, а пока — немного о химических основах жизни.

Аминокислоты в белкé — как жемчуг на нитке

В начале 1940-х уже было известно, что наследственная информация содержится в хромосомах, состоящих из ДНК и белкá, однако большинство учёных считало, что генетическую функцию несут белки, а не ДНК, поскольку они устроены сложнее, и, как на тот момент казалось, именно поэтому должны играть эту важную роль.

Научная общественность была в восторге от белков. Было известно, что они выполняют массу различных функций в клетке — от строительной и каталитической до сигнальной. И, несмотря на это, они состоят из одних и тех же 20 «строительных блоков» — аминокислот, образующих линейную молекулу, подобно жемчужинам в ожерелье (рис. 2). Соединяет аминокислоты между собой очень прочная пептидная связь.

ДНК: слишком простая для наследственности


В тех же 1940-х ДНК привлекала мало внимания. (А впервые ДНК была выделена из ядер клеток в 1871 году швейцарским учёным Фридрихом Мишером, назвавшим вещество нуклеиновой кислотой от латинского nucleus — ядро.)

Аналогично белкáм, ДНК линейна и состоит из повторяющихся «блоков» — только тут их даже не 20, а всего четыре: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). Четыре — как казалось, слишком мало для такого важного дела, как наследственность. Поэтому долгое время считалось, что генетическую функцию несут белки хромосом, а функция ДНК — лишь структурная.

В 1944-м, впрочем, ДНК взяла своё: в результате экспериментов Эвери-Маклеода-Маккарти по переносу ДНК из мёртвых бактерий в живые — после чего последние трансформировались — стало ясно, какая именно молекула отвечает за генетическую функцию. ДНК стала привлекать всё больше и больше внимания, пока, наконец, не была установлена её пространственная организация.

Элегантная. Двойная

28 февраля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в Кавендишской лаборатории в Кембридже (Великобритания) разгадали, наконец-то, секрет ДНК. В течение нескольких предшествующих лет они тщетно пытались разобраться, как молекула, состоящая из четырёх видов нуклеотидов, организована в трёхмерном пространстве.

По данным рентгенографического эксперимента, проведённого Розалинд Франклин в Кингз-колледже в Лондоне, ДНК должна была образовывать спираль, состоящую из двух нитей. А из опытов Эрвина Чаргаффа следовало, что — независимо от организма — количества нуклеотидов А-Т и Г-Ц в ДНК всегда совпадают, и что количество пуринов равно количеству пиримидинов.


Имея в руках все эти данные, Уотсон и Крик догадались, что аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином, и всё это — в рамках двойной спирали. Учёным всего мира стало ясно, что именно ДНК передаёт наследственную информацию, и информация эта закодирована в последовательности нуклеотидов.

РНК — сестрица ДНК

В то же самое время, пока Уотсон и Крик делали своё знаменитое открытие, внимание исследователей обратилось и на другую нуклеиновую кислоту, встречающуюся преимущественно в цитоплазме, — РНК. Её строение схоже с ДНК, только вместо тимина (Т) РНК содержит урацил (У).

В начале 1950-х стало понятно, что бóльшая часть РНК находится в маленьких частицах в цитоплазме, содержащих кроме РНК ещё и белóк (рис. 1). Тогда же открыли, что это то самое место, где синтезируется весь белóк клетки. В 1958 году эти частицы получили название рибосом.

1960-е: расшифровка генетического кода

Итак, через 100 лет после знаменательной публикации Дарвина молекула, несущая наследственные признаки, была найдена. Последовательность нуклеотидов задаёт последовательность аминокислот в белкé, производимом рибосомой в цитоплазме клетки. Однако какова связь между ДНК и рибосомой? Ведь они находятся по разные стороны ядерной мембраны и никогда не встречаются (рис. 1).


Ответ на этот вопрос появился в начале 1960-х: открыли, что генетическая информация копируется с ДНК на молекулу РНК, называемую матричной РНК (мРНК) (рис. 2). мРНК выходит за пределы ядра, захватывается рибосомой и служит последней в качестве инструкции для белкового синтеза.

Когда всё это стало понятно, генетический код был довольно быстро расшифрован при помощи синтетических мРНК и рибосом «в пробирке». Оказалось, что рибосома считывает мРНК по триплетам (или кодонам); первым открытым кодоном стал UUU, транслирующийся на рибосоме в аминокислоту фенилаланин. Всего существует 64 различных кодона, что при 20 типах аминокислот означает, что многие из них кодируются несколькими кодонами.

Считывание кодонов осуществляется ещё одним типом РНК — транспортной (тРНК): с одной стороны у неё находится антикодон, распознающий по принципу комплементарности кодон мРНК, а с другой стороны — соответствующий «текущему» кодону аминокислотный остаток.

Эти открытия заложили основу центральной догме молекулярной биологии: направленному переносу информации от ДНК к РНК и от РНК к белку. Однако схема существовала лишь на пальцах, что справедливо было отмечено Уотсоном: «К сожалению, мы не можем дать детального химического описания, как функционируют эти молекулы, до тех пор, пока не появится их структура». Появления такой структуры пришлось ждать до 2000 года.

Ада Йонат — пионер рибосомальных исследований

Частенько самые впечатляющие открытия делаются пионерами в области, ещё совершенно «не истоптанной» другими исследователями. В случае рибосомы, этим пионером была Ада Йонат. В конце 1970-х она решила получить рентгенографическую структуру рибосомы. В то время большинство считало эту задачу неразрешимой.

В рентгеновской кристаллографии луч жёсткого излучения направляют на исследуемый образец (например, высокоупорядоченное состояние белкá — кристалл) и изучают возникающее при этом рассеяние, регистрируя дифракционную картину (рис. 3). Первоначально для регистрации использовалась светочувствительная плёнка, отдельные участки которой под действием излучения затемнялись; сейчас для этого используются ПЗС-матрицы (за которые, кстати, дали Нобелевку-2009 по физике). Анализируя дифракционную картину, можно определить точное расположение атомов в образце. Однако качественную картину может дать только практически идеальный кристалл, получение которого может быть затруднено, и чем больше белóк — тем сложнее подобрать адекватные условия для кристаллизации.

В силу перечисленных обстоятельств, большинство отнеслось к начинаниям Йонат скептически. Рибосома — один из сложнейших существующих комплексов РНК/белок, состоящий из большой субъединицы (одна большая молекула РНК, «инкрустированная» примерно 32 белкáми) и малой субъединицы (три молекулы РНК и около 36 белков). В сумме это составляет сотни тысяч атомов, и Йонат задалась целью определить положение каждого из них.

Горячие источники, Мёртвое море: навстречу кристаллам

Когда Ада Йонат решила закристаллизовать рибосому, её выбор пал на бактерию, живущую в экстремальных условиях: Geobacillus stearothermophilus может обитать в источниках с температурой до 75 °C. По предположениям Йонат, если уж рибосомы работают в таких жёстких условиях, то и кристаллизацию они как-нибудь перенесут.

В 1980-м были получены первые кристаллы, и это было действительно крупным достижением, несмотря на то, что их дифракционное качество было невысоким. После этого потребовалось ещё 20 лет работы, чтобы определить структуру рибосомы, в которой было бы чётко определено положение каждого атома. Йонат использовала много разных приёмов, — в частности замораживание при −196 °C; также в экспериментах «участвовали» и другие бактерии — например, Haloarcula marismortui из чрезвычайно солёных вод Мёртвого моря.

Успехи Йонат вдохновили многих, и теперь к погоне за структурой рибосомы присоединились другие учёные, — и среди них Томас Стейц и Венкатраман Рамакришнан.

Скрытый смысл в мозаике из миллионов чёрных точек

К началу 1990-х кристаллы Йонат уже имели вполне удовлетворительное качество, чтобы по ним установить положение каждого атома в структуре, однако оставалось ещё затруднение, называемое у кристаллографов «проблемой фаз». Чтобы по картине дифракции восстановить структуру, необходимо знать фазовый угол для каждого рефлекса на картине, и как найти эти фазы, было непонятно.

Часто для аналогичной задачи в кристалл добавляют тяжёлые металлы вроде ртути и по различию дифракционных картин кристалла с металлом и без него вычисляют фазу. Однако в случае огромной рибосомы, к образцу присоединялось сразу много атомов тяжёлого металла, и вычислить фазы было сложно. Для решения проблемы требовалась дополнительная информация.

Решение проблемы предложил Томас Стейц, который использовал электронно-микроскопические изображения рибосомы, полученные Иоахимом Франком. Эти изображения помогли установить положение и примерную ориентацию рибосомы в кристалле, и, хотя не позволяли «увидеть» отдельных атомов, были использованы для восстановления набора фаз и получения рентгеновской структуры.

По итогам двадцатилетней работы

В 1998 году Томас Стейц опубликовал первую структуру большой субъединицы рибосомы, на которой можно было различить положение молекул РНК и белков, но не больше: разрешение не превышало 9 Å. Но и это стало настоящим прорывом.

Основные проблемы были решены, и оставалось только улучшать качество кристаллов и накапливать статистику. К «финишу» лауреаты Нобелевской премии пришли практически одновременно: в августе и сентябре 2000 года они опубликовали кристаллические структуры рибосомы с атомным разрешением: Стейц — большой субъединицы Haloarcula marismortui, а Йонат и Рамакришнан — малой субъединицы Thermus thermophilus.

Малая субъединица: «двойная проверка»

Учёных всегда чрезвычайно удивляла та беспрецедентная точность, с которой рибосома транслирует «нуклеиновую» информацию в белóк: ведь неправильный синтез белкá сделает его неактивным, или, ещё хуже — активным в непредсказуемом направлении.

Специфичность и точность синтеза определяется главным образом распознаванием мРНК–тРНК (рис. 2), однако этого всё же недостаточно, чтобы объяснить высочайшую точность рибосомы. Структура малой субъединицы, полученная Рамакришнаном, даёт объяснение этому феномену. Оказывается, в рибосоме есть что-то вроде «молекулярной линейки», которая измеряет расстояние между кодоном мРНК и антикодоном тРНК. В случае если это расстояние отличается от требуемого, тРНК немедленно диссоциирует. Двойная проверка — залог точности синтеза белка на рибосоме: не более одной ошибки на 100 000 аминокислотных остатков.

Большая субъединица «нанизывает» жемчужины на нить

Роль большой субъединицы рибосомы — главным образом, синтез белка: она катализирует образование пептидной связи между аминокислотами. Скорость рибосомы составляет примерно 20 синтезированных звеньев полипептидной цепи в минуту, и «поймать» рибосому на промежуточной стадии очень непросто.

Однако Томасу Стейцу удалось сделать и это. Он проводил кристаллизацию большой субъединицы с аналогами аминокислот, и с помощью этих структур были найдены каталитические центры рибосомы и предложена схема процесса.

Исследования лауреатов помогли понять, как что-то настолько простое как цепочка из четырёх типов звеньев превращается в такую сложную вещь как жизнь, и, как это часто бывает, фундаментальные исследования находят применения на практике: в этом случае речь идёт о новых антибиотиках.

Рибосома — мишень для новых антибиотиков

На сегодняшний день человечество располагает арсеналом антибиотиков, способных уничтожать болезнетворные бактерии; многие из них блокируют функции рибосом бактерий. Однако какое-то время спустя, бактерии выработали устойчивость против многих из этих веществ, и человечеству опять нужны новые антибиотики.

Все трое лауреатов Нобелевской премии этого года получили структуры рибосом со связанными с ними различными антибиотиками. Некоторые из них блокируют «туннель», по которому растущая полипептидная цепь покидает рибосому, другие нарушают образование пептидной связи, третьи — вносят критические ошибки в трансляцию.

Некоторые фармацевтические компании уже используют пространственную модель рибосомы (рис. 4) для разработки новых антибиотиков, и ряд препаратов уже проходит клинические испытания.

Понимание принципов строения рибосом и их функций чрезвычайно полезно и нужно не только для сообщества биологов, но и для всего человечества. Открытия Ады Йонат, Томаса Стейца и Венкатрамана Рамакришнана внесли солидный вклад и в фундаментальное понимание одного из базовых процессов во всех царствах живого, и в спасение жизней людей.

По материалам Нобелевского Комитета.

См. также: «“Нестареющая” Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе» [1].

Источник: biomolecula.ru

   
 
Открытие рибосом год Открытие рибосом год Открытие рибосом год

Венкатраман

рамакришнан

Великобритания

Томас Стейц, США Ада Йонат, Израиль

Нобелевский комитет присудил премию по химии за 2009 год трем ученым: Венкатраману Рамакришнан (Venkatraman Ramakrishnan), Великобритания, Томасу Стейцу (Thomas Steitz), США и Аде Йонат (Ada Yonath), Израиль. Премия присуждена с формулировкой: «За исследования структуры и функций рибосомы», клеточных органелл, отвечающих за производство белков в живых организмах. Однако выбор награжденных явно свидетельствует, что определяющим фактором явилось при этом установление лауреатами трехмерной структуры рибосомы с высоким разрешением, что позволило сделать целый ряд определенных выводов о некоторых этапах сложного процесса синтеза белка в рибосоме.

 Размеры рибосомы, универсальной фабрики по производству белков, представляющей собой сложнейший комплекс рибосомных белков и рибосомных РНК (рибонуклеиновых кислот), несопоставимы со всеми молекулами и комплексами, структуры которых были получены до сих пор методом рентгенографии. Положение сотен тысяч атомов расставлено в пространстве с точностью 2.5-5 ангстрем. Эти данные в интернете доступны каждому ученому, потрясающе красивые структуры позволяют целенаправленно планировать новые эксперименты.

 Выполнена фантастически сложная работа, которая имеет не только огромное фундаментальное, но и большое практическое значение уже сегодня.

 Генетическая информация в живых системах хранится и передается по наследству в виде последовательности нуклеотидов в их ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте). Большая часть этих последовательностей кодирует белки, которые выполняют большинство функций во всех организмах. Сначала информация с ДНК переписывается на иРНК (информационную рибонуклеиновую кислоту), которая затем связывается с рибосомами, где она прочитывается и переводится в различные последовательности аминокислот всех белков организма.

 Бактериальная (70S ) рибосома состоит из малой (30S ) и большой (50S ) субъединиц с молекулярными весами около 800 000 и 1 500 000 Дальтон, соответственно. Малая субъединица состоит из различных белков, число которых 21 и рибосомной РНК 16S, содержащей около 1 600 нуклеотидов. Большая субъединица состоит из 33-х разных белков и рибосомной РНК 23S с последователностью около 2 900 нуклеотидов и рибосомной РНК 5S из 120-ти нуклеотидов.

 Работа рибосомы по синтезу белковой молекулы состоит в том, что надо с высокой точностью соединить пептидной связью от десятков до нескольких тысяч аминокислот (в полипептидных цепях разных белков) двадцати сортов (глицин, аланин,фенилаланин, лизин, метионин, и т.д.) в определенной последовательности. Эта последовательность для каждого белка уникальна и закодирована в информационной РНК (иРНК) в виде последовательности нуклеотидов с одним из четырех разных оснований (аденин – А, гуанин-Г, урацил-У, цитозин-Ц) с использованием трехбуквенного кода. Одна или несколько комбинаций из трех нуклеотидов (триплет, кодон) кодируют определенную аминокислоту. Так, например, триплеты УУУ или УУЦ кодируют аминокислоту фенилаланин, кодон ААА кодирует лизин, кодон АУГ кодирует метионин и дает команду для начала синтеза и т.д.

 На многоэтапном пути от ДНК к готовому белку клетка использует более полутора сотен других белков, катализирующих необходимые для этого реакции. Даже в финальном процессе в самой рибосоме участвуют еще около 15 белковых факторов и еще один тип РНК, так называемая транспортная РНК (тРНК), которая доставляет очередную аминокислоту в рибосому и при этом выполняет роль переводчика с языка нуклеотидов в РНК на язык аминокислот в белке. В своей структуре молекулы тРНК имеют три нуклеотида (антикодон), комплементарных одному из кодонов иРНК. Благодаря кодон-антикодоновому взаимодействию тРНК и иРНК образуют стабильный комплекс в рибосоме. К другому концу тРНК присоединена аминокислота, которая закодирована этим триплетом, и таким образом тРНК при связывании помещает аминокислоту в синтезирующий центр рибосомы (пептидилтрансферазный центр – ПТЦ). В процессе удлинения (элонгации) полипептидной цепи белка в  рибосоме задействованы три сайта, через которые тРНК перемещаются в процессе синтеза. На Р сайте находится пептидил-тРНК (растущий полипептид синтезируемого белка, связанный с тРНК, доставившей предыдущую аминокислоту).  На А сайте происходит связывание очередной аминоацил-тРНК (аа-тРНК, т.е.тРНК с присоединенной аминокислотой и в комплексе с фактором элонгации и ГТФ) в соответствии со следующим кодоном в иРНК. Рибосома катализирует перенос пептидильного остатка от пептидил-тРНК на аа-тРНК, и в результате, выросшая на один аминокислотный остаток пептидил-тРНК, оказывается связанной с А сайтом, а на Р сайте остается пустая тРНК (без аминокислоты). Чтобы повторить процесс элонгации и присоединить следующую аминокислоту к пептиду, необходимо продвинуть иРНК на один триплет, освободить Р сайт, переместив пустую тРНК в выходной сайт Е, и перенести пептидил-тРНК из А сайта в Р сайт. Этот процесс называется транслокацией и происходит при участии дополнительного фактора элонгации и ГТФ. Не менее сложно (и с участием также ряда специальных белковых факторов) происходит и организация процессов начала синтеза (образование первой пептидной связи) и окончания и выхода синтезированного белка из рибосомы.

Открытие рибосом год

 В составление сегодняшней схемы процесса синтеза в рибосоме вложен труд по меньшей мере сотен коллективов ученых в разных странах в течение 50 лет. Многие этапы этого пути уже отмечены Нобелевскими премиями: определение последовательности нуклеотидов (76 нуклеотидов) первой тРНК (а всего их более 50), расшифровка генетического кода (1968г.), определение последовательности нуклеотидов (120 нуклеотидов) в рибосомной 5S РНК (1980г.), пространственная структура фенилаланиновой тРНК (1982г.), открытие каталитических свойств РНК, рибозим (1989г.).

 Существенный вклад в составление принятой теперь схемы синтеза белка внесли и исследования ученых отдела молекулярной и радиационной биофизики ПИЯФ РАН, начатые в 60-е годы. И первый вклад в классическую схему: существование такого соединения как пептидил-тРНК при синтезе белка в натуральной системе, был сделан в 1966 г. (кандидатская диссертация автора). Работы по исследованию механизмов биосинтеза белка во всем мире ведутся на выделенных из живых клеток рибосомах, которые в виду их чрезвычайной сложности повреждаются при выделении. Только 5-10% выделенных рибосом обычно было активно в связывании тРНК и синтезе белка. Мы поставили себе задачу изучить количественно термодинамику и кинетику  взаимодействия тРНК и иРНК с рибосомами. Ведь фактически, весь процесс синтеза состоит из последовательности таких взаимодействий.  Для этого необходимы были активные рибосомы, и мы научились это делать. К концу 70-х годов все рибосомы в наших препаратах были активны во всех традиционных тестах (Ю.П.Семенков и В.И. Махно) и связывали по три молекулы тРНК (Е.М.Саминский с сотр.). Тем самым было доказано наличие третьего – выходного сайта Е в рибосомах. Была изучена термодинамика взаимодействия всех функциональных форм тРНК с субъединицами и целой рибосомой и определен вклад субъединиц в формирование сайтов связывания тРНК, доказано (и измерено) наличие кодон-антикодонового взаимодействия тРНК на Р сайте и отсутствие такового на Е сайте. Все это признано и вошло в классические схемы синтеза в рибосоме.

 В последние 15 лет акцент в исследовании механизмов синтеза в рибосоме переместился на кинетические исследования отдельных этапов. Синтез белка в клетке идет с высокой скоростью (10 пептидных связей в секунду). Изучать такие быстрые процессы можно только с применением специальной техники «остановленного потока», которая отсутствовала в нашей стране и не по карману нам и сейчас из-за отсутствия должного финансирования науки у нас. Такие исследования мы смогли проводить только в зарубежных лабораториях (Германия, США). Долговременное сотрудничество было установлено с частным Университетом Виттена-Хердеке (Германия). Нам повезло, что в лаборатории биосинтеза белка ОМРБ (под руководством к.б.н. Семенкова Ю.П.) начала свою карьеру  в 80-е годы и выполнила кандидатскую диссертацию Марина Роднина, которая затем получила стипендию фонда Гумбольдта в Германии и выполнила целый ряд кинетических исследований процессов в рибосомах. Кинетические схемы основных этапов синтеза, разработанные в ее лаборатории с участием наших сотрудников (Ю.П.Семенков, В.И.Катунин) стали уже теперь классическими. Автор этой заметки 4 года использовал оборудование для кинетических исследований в Пеннсильванском университете (США). Была установлена определяющая роль взаимодействия центральной части молекулы тРНК с рибосомой в обеспечении ее движения, и открыт новый этап в процессе транслокации, что явилось существенным дополнением классической схемы транслокации.

 Высокий уровень и признание этих работ научной общественностью подтверждается тем, что профессор М.Роднина назначена в этом году пожизненным директором Института биофизической химии Макса Планка и избрана немецким академиком. По значимости функциональных работ М.Роднина могла бы вполне претендовать на Нобелевскую премию.

 К концу 20-го  столетия были уже расшифрованы все первичные структуры рибосомных и транспортных РНК, пространственные структуры практически всех рибосомных белков, созданы компьютерные модели структуры рибосомы и описаны основные этапы синтеза. Однако оставалось множество нерешенных вопросов по механизму и природе катализа, транслокации, процесса повышения точности трансляции самой рибосомой. Часто не хватало определяющих данных для выбора из нескольких возможных механизмов основных этапов. Естественно, что получение структуры рибосомы на атомарном уровне должно было дать ответы на многие, если не все, вопросы. Но первые кристаллы рибосом, полученные в 80-е годы, были настолько  несовершенны, что внушили большинству рибосомологов (в том числе и автору этих строк) уверенность в невозможности получения методом рентгенографии структуры с высоким разрешением, необходимым, чтобы сделать какие-либо существенные выводы о механизме синтеза в рибосоме. И все же, казалось бы, невозможное произошло в конце прошлого столетия. Этим мы обязаны в первую очередь Аде Йонат. Она объединила всех европейских энтузиастов кристаллографии и развивала и совершенствовала методики кристаллографии в течение 25 лет. Она первой применила методику низкотемпературной кристаллизации белков для рибосом, что сдвинуло проблему с мертвой точки. Только тогда, когда стало ясно, что проблема решаема, фармацевтические фирмы предоставили практически неограниченное финансирование, и в соревнование вступили три группы американских кристаллографов. В результате, к 2000-му году были получены даже немного раньше группы А.Йонат первые структуры большой (Т.Стейц) и малой субъединиц (В.Рамакришнан), и целой рибосомы 70S (Г.Ноллер, В.Рамакришнан) с атомарным разрешением. Так  четыре группы исследователей оказались в числе претендентов на три вакансии лауреатов.

 В течение последующих  8-ми лет шло соревнование этих 4-х групп в получении структур функционально активных комплексов рибосом, включая комплексы с антибиотиками. Большинство применяемых в медицине антибиотиков работает в рибосоме, блокируя разные этапы синтеза белка, что и останавливает развитие инфекции патогенными микроорганизмами. Установление молекулярной структуры комплексов рибосомы с антибиотиками привело к пониманию механизмов ингибирования и дало мощный импульс к созданию новых эффективных лекарственных форм. Здесь наибольший вклад сделан группами А.Йонат и В.Рамакришнан. А по завещанию А.Нобеля премии должны присуждаться в первую очередь за научные открытия, нашедшие широкое практическое применение.

Группа Т.Стейца из Йельского университета, получившая структуру большой субъединицы рибосом, в которой находится синтезирующий центр, ответила на самый интригующий вопрос: кто осуществляет катализ образования пептидной связи? Белок или РНК? В синтезирующем центре рибосомы не было найдено ни одной белковой группы ближе 18 Ангстрем, только рибосомная РНК. И значит, РНК большой субъединицы рибосом катализирует синтез пептидной связи, является рибозимом.

 В течение длительного периода времени все думали, что один из рибосомных белков осуществляет катализ, и пытались безуспешно его идентифицировать. Однако в последние десятилетия было установлено множеством независимых методов, что именно рибосомная РНК не только задает структуру рибосомы, но и определяет большинство функций в рибосоме, а белки выполняют вспомогательную роль. Здесь группа Г.Ноллера занимает ведущие позиции. По сумме всех данных был составлен пептидилтрансферазный центр, состоящий из одних нуклеотидов. После открытия каталитических свойств у РНК (Нобелевская премия 1989 г.) стало ясно, что первоначально мир был РНКовым, а белок появился позже. Примечательно, что один из первых двух открытых рибозимов был предшественник рибосомной РНК, который сам у себя отрезал фрагмент длиной около 400 нуклеотидов и превращался в зрелую рибосомную РНК большой субъединицы рибосом. Но это не означало еще, что рибосомная РНК осуществляет и катализ образования пептидной связи без участия белка. Ведь оба первых рибозима производили действия над РНК, будучи сами рибонуклеиновыми кислотами. В рибосоме ситуация много сложнее. Нужны были прямые доказательства, что чистая рибосомная РНК способна осуществлять катализ образования пептидной связи. И такие попытки предпринимались несколько раз, в том числе и группой Г.Ноллера, но каждый раз оказывалось, что были допущены ошибки, присутствие белка не было исключено полностью. Это обстоятельство, видимо, и определило выбор третьего лауреата.

 Установление структуры рибосомы уже ответило на целый ряд принципиально важных вопросов механизма биосинтеза белка и в будущем, несомненно, ускорит получение ответов на еще нерешенные вопросы, которых достаточно много. Но синтез белка не единственная функция рибосомы (хотя и главная).

 Рибосома находится в центре многих регуляторных процессов в клетке, изучение которых должно привести к созданию новых классов лечебных препаратов, в том числе и против вирусных инфекций. РНК вирусов связывается с рибосомами наших клеток и заставляет их переключиться на синтез компонентов вируса, его белков и РНК, причем делается это очень эффективно. Одна и та же последовательнсть нуклеотидов РНК вируса может быть прочитана дважды. Если начать считывание иРНК со сдвигом на один нуклеотид (сдвиг рамки считывания), то получится совсем другая последовательность аминокислот, совсем другой белок с другими свойствами. РНКовые вирусы (в том числе вирус СПИДА, ВИЧ) используют такой механизм для регулирования синтеза своих белков в нужной пропорции. Изучение молекулярных механизмов программированного сдвига рамки считывания в рибосоме неизбежно приведет к созданию соединений, способных нарушать эти процессы и останавливать размножение вирусов. Большинство фармацевтических фирм за рубежом уже организовали исследовательские группы, занимающиеся этой проблемой. Лаборатория Биосинтеза белка ОМРБ ПИЯФ (зав. к.б.н. Катунин В.И.) также занимается изучением этой проблемы и  получила в 2009 г. небольшой грант от Президиума РАН для проведения таких исследований. К сожалению, масштабы финансирования недостаточны, и не видно пока перспектив к изменению ситуации.

C.В.Кириллов,

доктор биол. наук, профессор

 

 

 

 

 

 
     

 

 

 

Источник: hepd.pnpi.spb.ru

Строение рибосом

Рибосомы относятся к немембранным органоидам. Они очень мелкие (около 20 нм), но многочисленные (тысячи и даже миллионы на клетку), состоят из двух частей – субъединиц. В состав субчастиц входят рибосомальные РНК (рРНК) и рибосомные белки, т. е. рибосомы по химическому составу являются рибонуклеопротеидами. Однако в них также присутствует небольшое количество низкомолекулярных соединений. Из-за многочисленности рибосом, рРНК составляет более половины от всей РНК клетки.

Одну из субъединиц называют «малой», вторую – «большой».

В собранной из субъединиц рибосоме выделят два (по одним источникам) или три (по другим) участка, которые называют сайтами. Один из участков обозначают A (aminoacyl) и называют аминоацильным, второй — P (peptidyl) — пептидильный. Данные сайты являются основными каталитическими центрами протекающих на рибосомах реакций. Третий участок обозначают E (exit), через него освободившаяся от синтезируемого полипептида транспортная РНК (тРНК), покидает рибосому.

Кроме перечисленных сайтов на рибосомах есть другие участки, используемые для связывания различных ферментов.

Когда субъединицы диссоциированы (разъединены) специфичность сайтов теряется, т. е. они определяются сочетанием соответствующих областей обеих субъединиц.

Отличие рибосом прокариот и эукариот

Соотношение по массе белков и РНК в рибосоме примерно поровну. Однако у прокариот белков меньше (около 40%).

Размеры как самих рибосом, так и субъединиц выражают в скорости их седиментации (осаждения) при центрифугировании. При этом S обозначает константу Сведберга — единицу, характеризующую скорость оседания в центрифуге (чем больше S, тем быстрее частица осаждается, а значит тяжелее). У прокариот рибосомы имеют размер в 70S, а у эукариот — в 80S (т. е. они тяжелее и крупнее). При этом субъединицы прокариотических рибосом имеют значения 30S и 50S, а эукариотических — 40S и 60S. Размеры рибосом в митохондриях и хлоропластах эукариот сходны с прокариотическими (хотя имеют определенную вариабельность по размерам), что может указывать на их происхождение от древних прокариотических организмов.

У прокариот в состав большой субъединицы рибосом входит две молекулы рРНК и более 30 молекул белка, в состав малой — одна молекула рРНК и около 20 белков. У эукариот в субъединицах больше молекул белка, а также в большой субъединице три молекулы рРНК. Составляющие рибосому белки и молекулы рРНК обладают способностью к самосборке и в итоге образуют сложную трехмерную структуру. Структуру рРНК поддерживают ионы магния.

Синтез рРНК

У эукариот в состав рибосом входят 4 вида рРНК. При этом три образуются из одного транскрипта-предшественника — 45S рРНК. Он синтезируется в ядрышке (на петлях хромосом его формирующем) при помощи РНК-полимеразы-1. Гены рРНК имеют много копий (десятки и сотни) и обычно располагаются на концах разных пар хромосом. После синтеза 45S рРНК разрезается на 18S, 5.8S и 28S рРНК, каждая из которых подвергается тем или иным модификациям.

Четвертый вид рРНК синтезируется вне ядрышка с помощью фермента РНК-полимеразы-3. Это 5S РНК, которая после синтеза не нуждается в процессинге.

Третичная структура рРНК в составе рибосом очень сложная и компактная. Она служит каркасом для размещения рибосомных белков, которые выполняют вспомогательные функции для поддержания структуры и функциональности.

Функция рибосом

Функционально рибосомы являются местом связывания молекул, участвующих в синтезе (мРНК, тРНК, различные факторы). Именно в рибосоме молекулы могут занять друг по отношению к другу такое положение, которое позволит быстро протечь химической реакции реакции.

В эукариотических клетках рибосомы могут находиться свободно в цитоплазме или быть прикрепленными с помощью специальных белков к ЭПС (эндоплазматическая сеть, она же ЭР — эндоплазматический ретикулум).

В процессе трансляции рибосома перемещается по мРНК. Часто по одной нитевидной мРНК двигаются несколько (или множество) рибосом, образуя так называемую полисому (полирибосому).

Источник: biology.su

История изучения строения рибосом насчитывает более полувека со времени их открытия, и краткое описание методов, использованных для этого, представляет отдельный интерес, поскольку эти методы используются или могут быть использованы для изучения не только рибосом, но и других сложных надмолекулярных комплексов.

Итак, к 1940 г. Альберт Клод (США) сумел выделить из эукариотических клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, гораздо меньшие, чем митохондрии и лизосомы (от 50 до 200 мкм в диаметре); позже он назвал их микросомами. Результаты химических анализов показали, что микросомы Клода были рибонуклеопротеидными комплексами. В дополнение к этому, цитохимические работы Т. Касперсона (Швеция) и Ж.Браше (Бельгия) продемонстрировали, что чем интенсивнее идет белковый синтез, тем больше обнаруживается РНК в цитоплазме.

В дальнейшем, некоторым исследователям удавалось выделять из клеток бактерий, животных и растений частицы, ещё более мелкие, чем микросомы. Электронная микроскопия и седиментационный анализ в ультрацентрифуге указывали, что частицы компактны, более или менее сферичны и гомогенны по размеру, имея диаметр 100-200 Ȧ (ангстрем) и обнаруживая резкие седиментационные границы с коэффициентами седиментации от 30-40S до 80-90S (S-коэффициент седиментации, или константа Сведберга, — отражает скорость осаждения каких-либо молекулярных комплексов при скоростном ультрацентрифугировании и зависит от молекулярного веса частиц и их плотности – компактности). Пожалуй, первое ясное свидетельство, что такие частицы бактерий являются рибонуклеопротеидами было получено Г.К. Шахманом, А.Б. Парди и Р. Станиером (США) в 1952 г.

Улучшенная техника микротомии и электронной микроскопии ультратонких срезов животных клеток привела к выявлению однородных плотных гранул с диаметром около 150 Ȧ непосредственно в клетке. Электронно-микроскопические исследования Дж. Паладе (США) [3], проведенные в 1953-1955 гг., показали, что маленькие плотные гранулы в изобилии содержатся в цитоплазме животных клеток. Они видны либо присоединенными к мембране эндоплазматического ретикулума, либо свободно рассеяны в цитоплазме. Микросомы Клода оказались фрагментами эндоплазматического ретикулума с сидящими на них гранулами. Выяснилось, что эти «гранулы Паладе» являются рибонуклеопротеидными частицами и что они представляют основную массу цитоплазматической РНК, обеспечивающей белковый синтез.

Исследования функциональной роли рибосом шли параллельно с их обнаружением и структурным описанием. Первой убедительной демонстрацией того, что именно рибонуклеопротеидные частицы микросом ответственны за включение аминокислот в новосинтезированный белок, были эксперименты П. Замечника с сотрудниками (США), опубликованные в 1955 г. За этим последовали эксперименты из этой же лаборатории, показавшие, что свободные рибосомы не прикрепленные к мембранам эндоплазматического ретикулума, также включают аминокислоты и синтезируют белок, освобождающийся затем в растворимую фазу. Функции бактериальных рибосом были предметом интенсивных исследований группы Р.Б. Робертса (США); публикация К. МакКиллена, Р.Б. Робертса и Р.Дж. Бриттена [4] в 1959 г. окончательно установила, что белки синтезируются в рибосомах и затем распределяются по другим частям бактериальной клетки.

Источник: studopedia.ru