в каком участке эукариотической клетки синтезируются рибосомы рнк

Рибосомы. Часть 1

Совет автора: перед прочтением статьи повторите, как в общих чертах идет процесс трансляции.

«Жизнь есть способ существования белковых тел. », — дает нам определение жизни известный классик. И действительно, белки выполняют в наших (да и во всех остальных) организмах практически все функции: структурную, каталитическую, транспортную и многие-многие другие. Пожалуй, белки не могут только хранить и передавать наследственную информацию, но даже к этим процессам они все равно «прикладывают руку». Белки, или протеины, — это полимеры, состоящие из мономеров — аминокислот. Белки синтезируются в ходе матричного синтеза, называемого трансляцией, который протекает на рибосомах*. Более подробно о самой трансляции вы узнаете из наших следующих статей, а пока сосредоточимся на главном действующем лице этого процесса — на рибосоме. Рибосомы по своей природе — это немембранные органоиды, состоящие из РНК и белка. Рибосомы есть во всех формах клеточной жизни и даже иногда встречаются у вирусов (!)**. Давайте подробнее поговорим о строении, образовании и разнообразии этих важнейших органоидов.

*Есть еще пептиды, которые синтезируются не в ходе трансляции и без участия рибосом. Такие пептиды называются «нерибосомальные», о некоторых из них мы рассказывали в предыдущей статье.
**«Вирусные» рибосомы — это, на самом деле, рибосомы клетки-хозяина, которые включились в вирусную частицу при ее выходе из клетки. По-видимому, вирусы никак не используют эти рибосомы — они остаются в качестве своеобразного сувенира от бывшего хозяина и в дальнейшем бесполезны (источник).

Сколько рибосом в клетке?

Органоиды, на которых протекает трансляция, — это необходимый компонент любой живой клетки. Чем «активнее» клетка, тем больше ей нужно синтезировать белка, и тем больше в ней рибосом. 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. Если мы посмотрим на микрофотографию бактериальной клетки (рис.1), то увидим, что цитоплазма буквально «набита» рибосомами, из-за них она имеет зернистую структуру.

У млекопитающих количество рибосом еще более впечатляющее — в одной клетке их содержится порядка 10 миллионов!

Внешний вид рибосом

Под микроскопом рибосомы выглядят как компактные частички порядка 20–30 нм в диаметре (рис. 2).

Каждая рибосома состоит из двух частей — большой и малой субъединиц (рис.3). Они контактируют друг с другом определенным образом, и рибосома может работать только в таком «собранном» виде. По-отдельности субъединицы не могут выполнять свои функции в клетке.

Рибосомы прокариот и эукариот отличаются между собой. Первое отличие, которое мы рассмотрим, касается их массы (рис.3).

Прокариотическая рибосома (рис.3) имеет молекулярную массу 2,5 млн Дальтон (4,15х10^(-18) грамм). Исследования методом центрифугирования (рис.4) показали, что у целой рибосомы коэффициент седиментации — 70S (часто прокариотические рибосомы так и называют — 70S рибосомы). S — это Сведберг, единица коэффициента седиментации. Большая субъединица имеет коэффициент седиментации 50S, а малая — 30S.

! Обратите внимание. При соединении 50S субъединицы и 30S субъединицы константа седиментации целой прокариотической рибосомы получается не 80S, как можно было бы подумать, а 70S. Это происходит потому, что седиментация (осаждение) при центрифугировании зависит не только от массы, но и от формы частицы. Поэтому, когда две субъединицы объединяются в целую рибосому, происходит не просто суммирование их масс, но и появление новой формы, которую нельзя рассматривать как сумму составляющих ее частей. То же самое справедливо и для эукариотической рибосомы.

Эукариотическая рибосома (рис.3) имеет молекулярную массу 4,2 миллиона Дальтон (6,97х10^(-18) грамм). Константа седиментации целой рибосомы — 80S, большой субъединицы — 60S, малой субъединицы — 40S.

Как вы могли заметить из предыдущих рисунков, ни целая рибосома, ни её субъединицы не являются по форме шариками, а имеют сложную структуру. Давайте немного подробнее рассмотрим морфологию рибосомальных субъединиц (рис. 5).

Помимо формы и размера большая и малая субъединица отличаются своими функциями. Важнейшая функция большой субъединицы — образование пептидной связи (рис.6). Малая субъединица ответственна за правильное декодирование триплетов иРНК. Ни большая, ни малая субъединица не могут работать по отдельности, для трансляции обязательно требуется их объединение.

3D-моделирование позволило увидеть рибосомы в объёме. На этом сайте вы можете подробнее рассмотреть 3D структуру рибосомы и «поиграть» с ней: покрутить и посмотреть на нее с разных ракурсов, попробовать найти описанные части рибосомальных субъединиц и туннель для иРНК. Осторожно, это очень залипательное занятие! 🙂

Из каких молекул состоит рибосома

Рибосомы по своей природе являются нуклеопротеидами и состоят из РНК и белков.

Сначала рассмотрим рибонуклеиновый компонент рибосом. РНК, которая находится в рибосоме, называется рРНК, на её долю приходится примерно 80% от всей РНК в клетке. Рибосомальная РНК выполняет в рибосоме важнейшие функции, в том числе катализирует образование пептидной связи. Это может показаться очень странным, ведь обычно за катализ химических реакций в клетке отвечают ферменты — белки, а это другой класс соединений. Тот факт, что в рибосоме основную функцию выполняют именно РНК, является одним из аргументов в пользу гипотезы РНК-мира. Возможно, что рибосома изначально вообще состояла только из РНК, а белки присоединились к ней позднее в ходе эволюции (см. статью).

В рибосоме содержится несколько видов молекул рРНК. Молекулы рРНК у эукариот и прокариот гомологичны, то есть схожи между собой, однако имеются и некоторые отличия.

В прокариотической рибосоме есть три вида РНК: 5S, 16S и 23S РНК. Буква S здесь также означает «Сведберг». Иными словами, разные рРНК имеют свои собственные константы седиментации, соответствующие их названиям. 16S рРНК находится в малой субъединице, и одна из её функций — прикрепить иРНК на рибосому, чтобы начать трансляцию. У прокариот в иРНК перед старт-кодоном есть особая последовательность — последовательность Шайна-Дальгарно. Она нужна, чтобы рибосома могла «ухватиться» за иРНК и начать синтезировать белок. В 16S рРНК содержится участок, который комплементарно связывается с последовательностью Шайна-Дальгарно и обеспечивает эту самую связь.

В большой субъединице у прокариот содержатся два вида рРНК — 23S и 5S рРНК. 23S рРНК ответственна за катализ образования пептидной связи. Зачем нужна 5S рРНК, до сих пор непонятно, хотя на этот счет выдвигаются разнообразные гипотезы.

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.

Как и все другие РНК (за исключением РНК некоторых вирусов), рРНК синтезируются на матрице ДНК с использованием ферментов РНК-полимераз. У бактерий один и тот же вид РНК-полимеразы транскрибирует все виды РНК. У эукариот РНК-полимераз несколько. РНК-полимераза III синтезирует 5S рРНК, а все другие виды рРНК транскрибируются РНК-полимеразой I. Из-за этого факта некоторые ученые предполагают эволюционное родство 5S рРНК и тРНК, которые синтезируются той же РНК-полимеразой.

Все сказанное о рРНК бактерий и эукариот суммировано в таблице 1.

Рибосомальные РНК имеют очень сложную пространственную структуру. Чтобы убедиться в этом, посмотрите на рисунок 7. В качестве примера здесь показана структура 16S рРНК. Обратите внимание на многочисленные шпильки — самокомплементарные участки РНК, которые обеспечивают ее сворачивание и стабилизируют эту сложную структуру. В линейном виде рРНК не может выполнять свои функции.

Особенностью рРНК также являются химические модификации нуклеотидов. У рРНК модифицированы около 2% всех нуклеотидов, и это необходимо для правильного сворачивания рРНК и выполнения ею своих функций. Модификации рРНК происходят при созревании рибосом. Для осуществления некоторых модификаций необходимы другие виды РНК, например, малая ядрышковая РНК. Примеры химических модификаций нуклеотидов рРНК представлены на рисунке 8.

Второй вид молекул, из которых состоят рибосомы, это белки. Они синтезируются в цитоплазме (с помощью рибосом, как и все другие белки), затем проходят через ядерные поры в ядро. В ядре идёт сборка рибосом, и рибосомальные белки, уже в составе рибосомы, снова возвращаются в цитоплазму. Вот такой сложный у них жизненный путь.

Некоторые из рибосомальных белков очень консервативны. Термин «консервативный» означает, что эти белки мало изменялись в ходе эволюции и очень схожи во всех доменах жизни. Помимо таких «всеобщих» белков в рибосомах также имеются и специфические. Они характерны либо только для эукариот, либо только для архей, либо только для бактерий. У эукариот рибосомальных белков больше, они составляют примерно половину массы рибосомы. У прокариот доля белков в рибосоме меньше — около 40%, а 60% приходится на рРНК. Белки и рРНК тесно взаимодействуют в рибосоме, формируя сложную пространственную структуру. Белковый и рибонуклеиновый состав рибосом бактерий и эукариот показан на рисунке 9.

Внутреннее строение рибосом

Внутри рибосома имеет сложное строение, где как раз и происходит «все самое интересное». Её можно сравнить с пещерой, в которой много полостей, ниш и ходов. Своды этой «пещеры» образованы рРНК и белками, причем ученые до сих пор спорят, как именно они там расположены и как друг с другом взаимодействуют.

Внутри рибосомы выделяют следующие важные части (рис.10):

— сайт связывания иРНК;

— туннель для выхода белка.

Термин «сайт» в данном случае означает «место». О функциях этих сайтов могут рассказать расшифровки названий. А-сайт назван так потому, что сюда приходит аминоцил-тРНК — транспортная РНК, несущая аминокислоту. В Р-сайте находится пептидил-тРНК (peptidyl) — это «предыдущая» тРНК, её аминокислота уже образовала пептидную связь с растущей белковой цепочкой, но все еще связана с принесшей ее тРНК. Е-сайт (от слова “exit” — «выход») нужен для выхода тРНК, которая уже выполнила свою функцию и отдала аминокислоту растущему белку. Поверхности этих сайтов составлены в основном из рРНК, что опять же указывает на их главную роль в функционировании рибосомы.

Для того, чтобы растущий пептид мог выходить из рибосомы, в большой субъединице образован специальный выходной туннель. Стенки этого туннеля сформированы таким образом, чтобы белок не мог там «залипнуть» и быстро проскальзывал наружу.

Образование пептидной связи происходит между аминоацил-тРНК, находящейся в А-сайте и пептидом в Р-сайте. За катализ образования пептидной связи отвечает пептидилтрансфераза (рис.11). По своей природе пептидилтрансфераза — это участок 23S рРНК у прокариот или 28S у эукариот, то есть она является рибозимом. Это место — «святая святых» рибосомы, именно здесь осуществляется одна из ключевых реакций жизни — образование пептидной связи.

В строении рибосомы можно выделить еще и другие важные области — это места связывания с факторами трансляции. Факторы трансляции — это особые белки, которые необходимы для инициации, элонгации и терминации трансляции, без них рибосома функционировать не может. Подробнее о роли этих факторов мы расскажем в статье, посвященной трансляции.

Итак, мы с вами разобрали «морфологию» и «анатомию» рибосомы — как она выглядит внешне и как устроена внутри. Во второй части нашего рассказа вы узнаете, откуда рибосомы берутся в клетке, какими они бывают и как ученые придумали их использовать для установления родства организмов. Ну а в заключительной части мы расскажем о функционировании рибосом и подробнее разберем механизм трансляции.

Источники

1) Farber FE, Rawls WE. Isolation of ribosome-like structures from Pichinde virus. J Gen Virol. 1975 Jan;26(1):21-31. doi: 10.1099/0022-1317-26-1-21. PMID: 1168240.

3) Г.М. Гонгадзе Г.М. 5S рРНК И РИБОСОМА // Успехи биологической химии, Т. 51, 2011, С. 165–192.

4) Рибозимы — катализаторы древнего мира / Доклады Академии наук, Т. 42, №3., 2005, портал «Элементы».

Источник

Рибосомы

Рибосомы являются важнейшими органоидами клетки, так как на них протекает процесс трансляции — синтез полипептида на матричной РНК (мРНК). Другими словами, рибосомы служат местом белкового синтеза.

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

Рибосомная РНК, как она синтезируется, типы и структура, функции

Рибосомная РНКили рибосомальный, в клеточной биологии, является наиболее важным структурным компонентом рибосом. Следовательно, они играют незаменимую роль в синтезе белков и являются наиболее распространенными по отношению к другим основным типам РНК: мессенджер и перенос.

Синтез белков является важнейшим событием во всех живых организмах. Ранее считалось, что рибосомная РНК не принимала активного участия в этом явлении и что она играла только структурную роль. В настоящее время есть доказательства того, что РНК имеет каталитические функции и является истинным катализатором синтеза белка..

У эукариот гены, которые дают начало этому типу РНК, организованы в области ядра, называемой ядрышком. Типы РНК обычно классифицируются в зависимости от их поведения в седиментации, поэтому они сопровождаются буквой S «единиц Сведберга»..

тип

Одним из наиболее поразительных отличий между эукариотическими и прокариотическими линиями является состав с точки зрения рибосомальной РНК, которая составляет их рибосомы. Прокариоты имеют меньшие рибосомы, тогда как рибосомы у эукариот больше.

Рибосомы делятся на большие и маленькие субъединицы. Маленькая содержит одну молекулу рибосомальной РНК, а большая содержит большую молекулу и две меньшие, в случае эукариот.

Самая маленькая рибосомная РНК в бактериях может иметь от 1500 до 3000 нуклеотидов. У людей рибосомная РНК достигает более длинных длин, от 1800 до 5000 нуклеотидов.

Единицы Сведберга

Исторически рибосомная РНК идентифицируется по коэффициенту седиментации взвешенных частиц, центрифугированных в стандартных условиях, который обозначается буквой S «единиц Сведберга»..

Одним из интересных свойств этого устройства является то, что оно не является аддитивным, то есть 10S плюс 10S не являются 20S. По этой причине существует некоторая путаница, связанная с окончательным размером рибосом..

прокариоты

У бактерий, архей, митохондрий и хлоропластов небольшая единица рибосомы содержит 16S рибосомную РНК. В то время как большая субъединица содержит два вида рибосомальной РНК: 5S и 23S.

эукариот

Эукариоты, с другой стороны, 18S рибосомная РНК обнаружена в малой субъединице, а большая субъединица, 60S, содержит три типа рибосомальной РНК: 5S, 5.8S и 28S. В этой линии рибосомы, как правило, крупнее, сложнее и обильнее, чем у прокариот..

Как это синтезируется?

Расположение генов

Рибосомная РНК является центральным компонентом рибосом, поэтому ее синтез является обязательным событием в клетке. Синтез происходит в ядрышке, области внутри ядра, которая не ограничена биологической мембраной..

Механизм отвечает за сборку единиц рибосом в присутствии определенных белков.

Гены рибосомальной РНК организованы по-разному в зависимости от происхождения. Напомним, что ген представляет собой сегмент ДНК, который кодирует фенотип.

В случае бактерий гены рибосомальных РНК 16S, 23S и 5S организованы и транскрибируются вместе в опероне. Такая организация «генов вместе» очень распространена в генах прокариот.

Напротив, эукариоты, более сложные организмы с мембранно-разделенным ядром, организованы в тандеме. У нас, людей, гены, которые кодируют рибосомную РНК, организованы в пять «групп», расположенных на хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Эти области называются NOR.

Начало транскрипции

В клетке РНК-полимераза является ферментом, ответственным за добавление нуклеотидов к цепям РНК. Они образуют их молекулы из молекулы ДНК. Этот процесс формирования РНК, следующей за ДНК, как темперированной, известен как транскрипция. Существует несколько типов РНК-полимераз.

Обычно транскрипция рибосомальных РНК осуществляется РНК-полимеразой I, за исключением 5S рибосомальной РНК, транскрипция которой осуществляется РНК-полимеразой III. 5S также имеет особенность в том, что он транскрибируется из ядрышка.

Промоторы синтеза РНК состоят из двух элементов, богатых последовательностями GC и центральной области, здесь начинается транскрипция.

У людей факторы транскрипции, необходимые для процесса, присоединяются к центральному региону и дают начало комплексу перед инициацией, который состоит из блока TATA и факторов, связанных с TBP..

Как только все факторы собраны вместе, РНК-полимераза I вместе с другими факторами транскрипции связывается с центральной областью промотора с образованием комплекса инициации.

Удлинение и конец транскрипции

Впоследствии происходит второй этап процесса транскрипции: удлинение. Здесь сама транскрипция происходит и включает присутствие других каталитических белков, таких как топоизомераза.

У эукариот транскрипционные единицы рибосомных генов имеют последовательность ДНК на 3′-конце с последовательностью, известной как Sal box, которая указывает на конец транскрипции.

После транскрипции рибосомальных РНК, упорядоченных в тандеме, происходит биогенез рибосом в ядрышке. Транскрипты рибосомных генов созревают и связываются с белками с образованием рибосомных единиц.

Перед прекращением происходит образование серии «рибопротеинов». Как и в мессенджерах РНК, процесс сплайсинг направляется небольшими ядрышковыми рибонуклеопротеинами или snRNPs, для его сокращения на английском языке.

сплайсинг это процесс, в котором удаляются интроны (некодирующие последовательности), которые обычно «прерывают» экзоны (последовательности, которые кодируют данный ген).

Процесс приводит к 20S посредникам, содержащим 18S и 32S рРНК, которые содержат 5,8S и 28S рРНК.

Посттранскрипционные модификации

После возникновения рибосомальных РНК они подвергаются дополнительным модификациям. Они включают метилирование (добавление метильной группы) примерно 100 нуклеотидов на рибосому в 2′-ОН-группе рибосомы. Кроме того, происходит изомеризация более 100 уридинов в псевдоуридиновую форму.

структура

Как и ДНК, РНК состоит из азотистого основания, связанного ковалентной связью с фосфатным остовом..

Подобно трансферной РНК, рибосомная РНК характеризуется довольно сложной вторичной структурой со специфическими связывающими областями, которые распознают мессенджерную РНК и переносят РНК..

функции

Основная функция рибосомальной РНК состоит в том, чтобы обеспечить физическую структуру, которая позволяет принимать мессенджерную РНК и декодировать ее в аминокислоты, образуя белки.

применимость

Рибосомная РНК широко используется как в области молекулярной биологии и эволюции, так и в медицине..

Они очень полезны в качестве молекулярных маркеров благодаря их низким скоростям эволюции (этот тип последовательностей известен как «консервативные последовательности»).

Фактически, одна из самых известных филогенетических реконструкций в области биологии была проведена Карлом Возе и его сотрудниками с использованием 16S рибосомных последовательностей РНК. Результаты этого исследования позволили разделить живые организмы на три области: археи, бактерии и эукариоты..

С другой стороны, рибосомная РНК обычно является мишенью для многих антибиотиков, которые используются в области медицины для лечения широкого спектра заболеваний. Логично предположить, что, атакуя систему производства белка бактерии, она будет немедленно затронута.

эволюция

Предполагается, что рибосомы, как мы их знаем сегодня, начали свое образование в очень отдаленные времена, близкие к образованию LUCA (по его инициалам в Английский последний универсальный общий предок или последний универсальный общий предок).

Исследователи предполагают, что предшественники существующих рибосом не были столь же селективны с аминокислотами, принимая оба изомера l и d. В настоящее время широко известно, что белки образуются исключительно из аминокислот.

Кроме того, рибосомная РНК обладает способностью катализировать реакцию пептидилтрансферазы, которая служит хранилищем нуклеотидов в сочетании с его каталитическими возможностями, что делает ее ключевым элементом в эволюции первых форм на Земле..

Источник