Органели клітини, які з білків і РНК і відповідальні синтез білків, називаються рибосомами. Кількість рибосом в одній клітині сильно варіює залежно від потреб і може сягати кількох мільйонів.

Будова

Найважливішою органелою клітини є ядро. Воно містить генетичну інформацію та ядерце, де утворюються рибосоми. Синтезовані рибосоми через пори ядерної мембрани потрапляють або на ендоплазматичну мережу або в цитоплазму. Залежно від розташування в еукаріотичній клітині виділяють два види рибосом:

• пов'язані - розташовуються на ендоплазматичній мережі (шорсткий вигляд);
• вільні - Розташовуються в цитозолі.

Гладка ЕПС утворюється після звільнення рибосом. У рослинних клітинах гладка ЕПС формує провакуолі, з яких потім утворюються вакуолі.

Мал. 1. Розташування рибосом у клітці.

Рибосоми - немембранні органели, що мають округлу форму і складаються з двох частин - субодиниць (великої та малої), кожна з яких є сумішшю рибосомальної РНК (рРНК) і білків. З хімічної точки зору рибосома – нуклеопротеїд, що складається з нуклеїнових кислот та протеїнів.

Мал. 2. Будова рибосом.

Пов'язані та вільні рибосоми називаються цитоплазматичними рибосомами. Також існують власні рибосоми мітохондрій та пластид. Вони відрізняються меншою кількістю білків та рРНК.

Розрізняють чотири різновиди молекул РНК рибосоми:

ТОП-3 статтіякі читають разом з цією

• 18S-РНК містить 1900 нуклеотидів;
• 5S-РНК містить 120 нуклеотидів;
• 5,8S-РНК - складається із 160 нуклеотидів;
• 28S-РНК – складається з 4800 нуклеотидів.

Мала частка рибосоми утворена 30-35 білками та 18S-РНК. У велику субчастицю входить 45-50 білків і 5S-, 5,8S-, 28S-РНК.

У неробочому стані частини рибосом роз'єднані. Вони з'єднуються з допомогою інформаційної (матричної) РНК, охоплюючи її із двох сторін. При синтезі білка рибосоми поєднуються, утворюючи комплекси - полісоми або полірибосоми, пов'язані мРНК і нагадують намистини на нитці.

Рибосоми прокаріотів менше, ніж еукаріотів. Діаметр рибосом клітини людини, тварин, рослин та грибів – 25-30 нм, бактерій – 15-20 нм.

Синтез білка

Головна функція рРНК – синтез білка та амінокислот.
Біосинтез білків включає два процеси:

• транскрипцію;
• трансляцію.

Транскрипція відбувається за участю ДНК. Генетичну інформацію зчитує фермент полімераза РНК, утворюючи мРНК. Далі починається процес трансляції, що відбувається на рибосомах.
Цей процес поділяється на три етапи:

• ініціацію – початок синтезу;
• елонгацію – біосинтез;
• термінацію – завершення синтезу, відділення рибосоми.

При ініціації відбувається збирання рибосоми. Контактні частини субодиниць називаються активними центрами, між якими розташовується :

• мРНК як «шаблон» синтезу;
• тРНК, яка здійснює перенесення амінокислот на ланцюг, що синтезується;
• синтезований пептид, що складається з амінокислот.

У процесі елонгації відбувається подовження поліпептидного ланцюга рахунок приєднання амінокислот. Ланцюг від'єднується від рибосоми на стадії термінації завдяки стоп-кодону - одиниці генетичного коду, що шифрує припинення синтезу білка.

4.6. Усього отримано оцінок: 114.

У бактеріальній клітині рибосоми становлять до 30% її сухої маси: на одну бактеріальну клітину припадає приблизно 104 рибосом. В еукаріотич. клітинах (клітини всіх організмів, за винятком бактерій та синьо-зелених водоростей) відносить. вміст рибосом менше, і їх кількість дуже сильно варіює в залежності від білок-синтезуючої активності відповідної тканини або окремої клітини.

В еукаріотич. клітини всі рибосоми цитоплазми (як мембрано-пов'язані, так і вільні) утворюються в ядерці;

Розрізняють два осн. типу рибосом. Всім прокаріотич. організмам (бактерії та синьо-зелені водорості) властиві т. зв. 70S рибосоми, що характеризуються коеф. (Константою) седиментації бл. 70 одиниць Сведберга, або 70S (по коеф. седиментації розрізняють і рибосоми ін. типів, а також субчастинки та біополімери, що входять до складу рибосом). Їх мовляв. м. складає 2,5 · 10 6 лінійні розміри 20-25 нм. За хім. складом це рибонуклеопротеїди;

вони складаються лише з рРНК та білка (співвідношення цих компонентів 2:1). Рибосомна РНК у рибосомах присутня гол. обр. у вигляді Mg-солі (очевидно, частково і у вигляді Са-солі); магнію в рибосомах до 2% сухої маси. З іншого боку, в разл. кол-вах (до 2,5%) можуть бути присутніми також катіони амінів-сперміну H 2 N(CH 2) 3 NH(CH 2) 4 NH(CH 2) 3 NH 2 , спермідину H 2 N(CH 2) 3 NH (CH 2) 4 NH 2 та ін.

Рибосомний синтез білка – багатоетапний процес. Перша стадія (ініціація) починається з приєднання матричної РНК (мРНК) до малої рибосомної субчастинки, не пов'язаної з великою субчастицею. Характерно, що для початку процесу потрібна саме дисоційована рибосома. До т. зв. ініціаторному комплексу приєднується велика рибосомна субчастка.

У стадії ініціації беруть участь спец. ініціюючий кодон (див. Генетичний код), ініціаторна транспортна РНК (тРНК) та специфіч. білки (т. зв. фактори ініціації). Пройшовши стадію ініціації, рибосома переходить до послідовностей. зчитування кодонів мРНК у напрямку від 5"- до 3"-кінця, що супроводжується синтезом поліпептидного ланцюга білка, що кодується цією мРНК (докладніше про механізм синтезу поліпептидів див. ст. Трансляція). У цьому процесі рибосома функціонує як циклічно працююча мол. авто. Робочий цикл рибосоми при елонгації складається з трьох тактів: 1) кодонзалежного зв'язування аміноацил-тРНК (постачає амінокислоти в рибосому); 2) транспептидації-перенесення С-кінця зростаючого пептиду на аміноацил-тРНК, тобто

подовження білкового ланцюга, що будується на одну ланку; 3) транслокації-переміщення матриці (мРНК) і пептидил-тРНК щодо рибосоми і перехід рибосоми у вихідний стан, коли вона може сприйняти слід. аміноацил-тРНК. Коли рибосома досягне спеціального

Як же виглядає ця органела? Вона схожа на телефон із трубкою. (Рис. 6) Рибосома еукаріотів і прокаріотів складається з двох частин, одна з яких більше, інша - менше. Але ці дві її складові не поєднуються разом, коли вона перебуває у спокійному стані. Це відбувається лише тоді, коли рибосома клітини безпосередньо починає виконувати свої функції. Рибосома також має у своєму складі інформаційну РНК та транспортну РНК. Дані речовини необхідні для того, щоб записувати на них інформацію про потрібні клітини білки. Рибосома немає власної мембрани. Її субодиниці (так називають дві її половини) нічим не захищені.

• Рисунок 6. Зовнішній вигляд рибосоми.
• Велика субчастка, у свою чергу, складається з:
• · однієї молекули рибосомальної РНК, яка є високополімерною;

· однієї молекули РНК, яка є низькополімерною;

• деякої кількості молекул білка, як правило, їх близько трьох десятків.
• · кілька десятків молекул білка, як правило, близько 40 штук (молекули при цьому різноманітні за структурою та формою).

Малюнок 7. Найменша субчастка рибосоми.

Молекула високополімерної РНК необхідна для того, щоб усі присутні білки з'єднати в одну цілісну рибонуклеопротеїдну складову клітини.

Функції рибосоми

Які функції виконує в клітині цей органоїд? Те, за що відповідає рибосома, – синтез білка. Він відбувається на основі інформації, яка записана на так званій матричній РНК (рибонуклеїновій кислоті). Рибосома поєднує свої дві субодиниці тільки на час синтезу білка - процесу під назвою трансляція. (Рис.8) Під час даної процедури синтезований поліпептидний ланцюг знаходиться між двома субодиницями рибосоми.

8. Процес трансляції.

У процесі виконання основної своєї функції, тобто під час синтезу білка, рибосома виконує ряд додаткових:

• · Зв'язування, а також утримання всіх складових так званої білоксинтезуючої системи. Прийнято називати цю функцію інформаційною чи матричною. Рибосома ці функції розподіляє між двома своїми субчастинками, кожна з яких виконує свою певну задачу в даному процесі.
• · Рибосоми виконують каталітичну функцію, яка полягає в утворенні особливого пептидного зв'язку (амідний зв'язок, який виникає як при утворенні білків, так і при виникненні пептидів). Сюди можна віднести і гідроліз ГТФ (субстрату для синтезу РНК). За виконання цієї функції відповідає велика субодиниця рибосоми. Саме в ній знаходяться спеціальні ділянки, в яких відбувається процес синтезу пептидного зв'язку, а також центр необхідний для гідролізу ГТФ. Крім цього, саме велика субодиниця рибосоми під час біосинтезу білка утримує на собі ланцюг, який поступово виростає.
• · Виконує рибосома функції механічного пересування субстратів, до яких відносяться іРНК та тРНК. Іншими словами, вони відповідають за транслокацію.

9. Синтез білка.

Як відбувається формування білків? (Мал. 9, 10, 11) Біосинтез білків відбувається у кілька етапів. Перший - це активація амінокислот. Усього їх існує двадцять, при комбінуванні їх у різний спосіб можна отримати мільярди різних білків. Протягом цього етапу з амінокислот формується аміноаліц-т-РНК.

10. Синтез білка (фото).

Ця процедура неможлива без участі АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти). Також для цього процесу необхідні катіони магнію. Другий етап - це ініціація поліпептидного ланцюга, або процес об'єднання двох субодиниць рибосоми та постачання до неї необхідних амінокислот. У цьому процесі також беруть участь іони магнію та ГТФ (гуанозинтрифосфат). Третій етап називається елонгацією. Це безпосередньо синтез поліпептидного ланцюга. Відбувається шляхом трансляції. Термінація – наступний етап – це процес розпаду рибосоми на окремі субодиниці та поступове припинення синтезу поліпептидного ланцюжка. Далі йде останній етап – п'ятий – це процесинг. На цій стадії з простого ланцюга амінокислот формуються складні структури, які вже є готовими білками. У цьому процесі беруть участь специфічні ферменти, і навіть кофакторы.

11. Синтез білка (схема).

Оскільки рибосома відповідає за синтез білків, то давайте розглянемо докладніше їхню структуру. Вона буває первинною, вторинною, третинною та четвертинною. Первинна структура білка - це певна послідовність, у якій розташовуються амінокислоти, що формують цю органічну сполуку. Вторинна структура білка є сформованими з поліпептидних ланцюжків альфа-спіралі і бета-складки. Третинна структура білка передбачає певну комбінацію альфа-спіралей та бета-складок. Четвертична ж структура полягає у формуванні єдиної макромолекулярної освіти. (Мал. 12) Тобто комбінації альфа-спіралей і бета-структур формують глобули чи фібрили. За цим принципом можна виділити два типи білків - фібрилярні та глобулярні.

До перших належать такі, як актин та міозин, з яких сформовані м'язи. Прикладами других можуть бути гемоглобін, імуноглобулін та інші. Фібрилярні білки нагадують собою нитку, волокно. Глобулярні більше схожі на клубок сплетених між собою альфа-спіралей та бета-складок. Що таке денатурація? Кожен, напевно, чув це слово.

Малюнок 12. Четвертична структура білка.

рибосома клітина генетичний білок

Денатурація – це процес руйнування структури білка – спочатку четвертинної, потім третинної, а після – і вторинної. У деяких випадках відбувається ліквідація первинної структури білка. Цей процес може відбуватися внаслідок впливу на цю органічну речовину високої температури. Так, денатурацію білка можна спостерігати при варінні курячих яєць. Найчастіше цей процес незворотній. Так, при температурі понад сорок двох градусів починається денатурація гемоглобіну, тому сильна гіпертермія небезпечна для життя. Денатурацію білків до окремих нуклеїнових кислот можна спостерігати у процесі травлення, коли з допомогою ферментів організм розщеплює складні органічні сполуки більш прості.

Вивчення основних процесів, що підтримують існування органічного життя, ведеться у різних напрямках. Левова частка досліджень припадає на молекулярну біологію та мікробіологію. Як вже зараз ясно, здоров'я і життя складних складних організмів здебільшого залежить від тих операцій, які протікають усередині клітин. Вивчення внутрішньоклітинних метаморфоз – трудомістке заняття, оскільки клітина багатоклітинного еукаріотів не може жити життям окремого організму. Життя еукаріотів вивчається, в тому числі, і на базі знань про найпростіші та бактерії. Так, рибосоми найпростіших бактерій дуже схожі і за будовою, і з функцій з ядерними клітинами.

Бактеріальна рибосома

Вивчаючи рибосоми у складі бактерій, людина отримує як важливі знання складний процес синтезу білка з амінокислот в органічної клітині, а й видобуває інструменти боротьби з багатьма хворобами. Саме рибосомні нуклеопротеїди бактерій дають інформацію про механізми впливу антибіотиків на патогенні мікроорганізми (віруси, бактерії тощо).

У клітині бактерії рибосома виконує функцію формувача молекул білка. Її будова зумовлює складний процес біосинтезу.

Суть роботи нуклеопротеїду полягає в тому, що за його допомогою на базі матричних РНК, з використанням транспортних РНК, виробляються складні поліпептидні сполуки, без яких бактеріальна клітина не може продовжувати своє існування.

Матрична і транспортна РНК є частиною рибосоми, а містяться у цитоплазмі бактеріальної клітини.

Таким чином, у синтезі білка бере участь три клітинні структури:

• матриця;
• транспортна РНК;
• рибосома.

Методи вивчення

Сучасні біологічні лабораторії мають широкі можливості вивчення клітини та її органоїдів.

У порівнянні з рибосомами еукаріотів, ці органоїди у прокаріотів дуже дрібні. Хоча в іншому ці складові клітин та бактерій та еукаріотів дуже схожі. Вони також складаються з двох субчасток, і сам процес синтезу білка має масу подібних механізмів.

У зв'язку з тим, що рибосомні нуклеопротеїди є однією з найцікавіших людині структурних одиниць клітини, сьогодні є достатньо методів виявлення закономірностей пристрою та функціонування цього органоїду.

Одним із найбільш широко використовуваних методів виявлення нуклеопротеїдів у бактеріях є рибосомальний профілінг.

Цей метод виконують так:

1. Руйнування бактеріальної клітини шляхом механічного на неї. Хімічні реакції у разі спотворять картину.
2. Руйнування молекул РНК, які не входять до складу рибосоми.
3. Видалення всіх поліпептидних залишків тих продуктів, які були отримані в результаті руйнування.
4. Зворотне перетворення РНК на ДНК.
5. Читання амінокислотних послідовностей.

Саме секвенування може реалізовуватися за допомогою декількох методів, зокрема двох найпоширеніших.

Метод Едмана

Один із перших розроблених. Суть цього методу у тому, що пептид (білок) обробляють певними реагентами, у результаті відбувається відщеплення амінокислоти, у тому числі складається білок.

Метод Сенгера

Найсучасніший метод. Заснований на використанні синтетичного олігонуклеотиду (олігонуклеотиди складаються більш ніж з двох нуклеїнових кислот).

Використовуваний метод дозволяє ідентифікувати всі навіть найбільш дрібні ділянки РНК, яка досліджується. Завдяки отриманню повної інформації про амінокислоти дослідники мають можливість відновлювати найважливіші операційні моменти біосинтезу.

Велике значення ця інформація має щодо реакції бактерій на антибіотики.

Будова

На даний момент наука має переконливу кількість перевірених досвідченим шляхом відомостей про будову рибосом бактерій та еукаріотів.

Це макромолекулярний комплекс, що складається з двох субчасток різної величини:

• мала субчастка;
• велика субчастка.

Мала рибосома складається з однієї рибосомної РНК та трьох десятків різних білків. Основна функція малої субчастинки полягає в тому, щоб зв'язувати нуклеопротеїд з матричною РНК (мРНК).

Протягом всього процесу ініціації та елонгації (приєднання мономерів до ланцюга макромолекули) мала субчастка утримує мРНК. Крім того, вона забезпечує проходження матриці через нуклеопротеоїд.

Таким чином, мала субчастинка виконує генетичну функцію декодування інформації.

У великій субчастинці міститься 3 рибосомні РНК і близько 50 білкових сполук. Велика субчастка з матрицею не вступає в контакт, вона відповідальна за перебіг хімічних процесів в нуклеопротеїдах при утворенні поліпептидних зв'язків у поліпептиді, що транслюється.

Процес трансляції

Процес синтезування білка (як у бактерій, так і еукаріотів) має наступний цикл:

• ініціація;
• елонгація;
• термінація.

Ініціація

Ініціація починається з того, що до малої субчастинки рибосоми приєднується матрична РНК.

Якщо рибосомна макромолекула дізнається той трилітерний кодон, який є на мРНК, відбувається приєднання антикодону тРНК.

Елонгація

Приєднань амінокислот, які принесли тРНК і просування рибосоми вздовж матриці з вивільненням молекули тРНК.

Рух мРНК здійснюється до тих пір, поки він не досягає стоп-кодону, який є у всіх матрицях.

Термінація

Новоутворений білок, що складається з протрансльованих амінокислот, від'єднується.

У деяких випадках завершення трансляції новоутвореного білка супроводжується розпадом (дисоціацією) рибосоми.

Відмінності синтезу білка у клітинах еукаріотів

Незважаючи на те, що рибосоми еукаріотів складаються з тих же структурних частин, що й у клітинах бактерій, синтез поліпептидів еукаріотів має особливості.

Біоінженери розробили гібридні рибосоми, до складу яких замість двох довгих ланцюжків рРНК входить єдина молекула, що забезпечує неподільність органели. Такі рибосоми можуть підтримувати синтез всіх необхідних для бактеріальної клітини білків, хоча ініціація трансляції у них відбувається набагато повільніше, ніж у звичайних рибосом.

Отриманими гібридними рибосомами Ribo-T(Від англ. tethered- пов'язаний) (рис. 1) вчені забезпечили штами бактерій, які не напрацьовують звичайних рибосом. Виявилося, що гібриди здатні підтримувати життя бактерій і синтезувати всі необхідні для них білки. Щоправда, швидкість зростання бактерій, що несуть лише гібридні рибосоми, була вдвічі менша, ніж у бактерій із звичайними рибосомами. І навіть такої швидкості вдалося досягти тільки клітинам з мутацією в гені одного з рибосомних білків та порушеним синтезом передбачуваного транспортера іонів магнію та кобальту. Як і швидкість зростання, швидкість синтезу білків у бактерій, що несуть гібридні рибосоми, виявилася вдвічі меншою за нормальну.

Вчені вирішили з'ясувати, чому гібридні рибосоми повільніше синтезують білок. Виявилося, що рибосоми зі скріпленими субодиницями гальмують одразу після розпізнавання стартового кодону. Тобто основна проблема для них – правильна ініціація трансляції. Вчені з'ясували, що ця проблема не пов'язана з гіршою взаємодією гібридних рибосом з факторами ініціації, оскільки їхнє додавання не компенсувало стартове гальмування. Так що новий варіант рибосом ще докладніше досліджувати і вдосконалити.

Гібридні рибосоми хоч і не дуже швидко, але робили свою справу, так що вчені вирішили випробувати їхню придатність до роботи як незалежну популяцію рибосом. По-перше, рибосоми окремої популяції можна використовувати для читання мРНК з незвичайними стартовими сигналами. Для цього отримали гібридні рибосоми з модифікованою ділянкою, що дізнається про послідовність Шайна-Дальгарно - стартову точку посадки бактеріальних рибосом на РНК. РНК із зміненою послідовністю Шайна-Дальгарно звичайні клітинні рибосоми не розпізнавали, проте її продукт виявлявся в цитоплазмі клітин, що несуть особливим чином модифіковані гібридні рибосоми. Отже, синтезом білка на такій матриці займалися лише гібридні рибосоми, і трансляцію РНК зі специфічними сигналами можна буде досліджувати, не впливаючи на трансляцію інших клітин мРНК.

Ще вчені отримали модифікацію гібридних рибосом, залежну від антибіотика. Такі рибосоми працюватимуть, якщо додати в середу антибіотик, що блокує звичайні рибосоми клітини. Антибіотик у такій системі служить перемикачем, що визначає, який набір рибосом буде активним. Так що клітини можна буде підтримувати або в природному режимі життя, або в умовах, коли все напрацювання білка беруть він синтетичні рибосоми. Маніпулюючи властивостями окремої популяції рибосом, можна буде дізнатися про процес синтезу білка набагато більше.

Література

1. Рибосома за роботою;
2. Як позбутися РНК за кілька хвилин;
3. Orelle C., Carlson E.D., Szal T., Florin T., Jewett M.C., Mankin A.S. (2015). . Nature. 524 , 119–124;
4. Io S.B. and Gy L.O. (2015). Synthetic biology: Ribosomal ties that bind . Nature. 524 , 45–46..