Что такое рибосомы в биологии 8 класс кратко
Рибосома
Рибосо́ма — важнейший немембранный органоид живой клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром от 15—20 нанометров (прокариоты) до 25—30 нанометров (эукариоты), состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК, или мРНК. Этот процесс называется трансляцией.
В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой (полисомой). Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке.
Рибосомы представляют собой нуклеопротеид, в составе которого отношение РНК/белок составляет 1:1 у высших животных и 60-65:35-40 у бактерий. Рибосомная РНК составляет около 70 % всей РНК клетки. Рибосомы эукариот включают четыре молекулы рРНК, из них 18S, 5.8S и 28S рРНК синтезируются в ядрышке РНК полимеразой I в виде единого предшественника (45S), который затем подвергается модификациям и нарезанию. 5S рРНК синтезируется РНК полимеразой III в другой части генома и не нуждаются в дополнительных модификациях. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры; при удалении ионов магния рибосома подвергается диссоциации на субъединицы.
Константа седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге) рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), бактериальных клеток (а также митохондрий и пластид) — 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).
Содержание
История исследований рибосомы
В начале 2000-х появились атомные структуры отдельных субъединиц, а также полной рибосомы, связанной с различными субстратами, которые позволили понять механизм декодинга (распознавания антикодона тРНК, комплементарного кодону мРНК) и детали взаимодействий между рибосомой, антибиотиками, тРНК и мРНК.
Нобелевская премия по химии 2009 года получена за определение структуры прокариотической рибосомы учёным из Великобритании Венкатраманом Рамакришнаном, американцем Томасом Стейцем и израильтянкой Адой Йонат. В 2010 году в лаборатории Марата Юсупова была определена трехмерная структура эукариотической рибосомы. [3]
В 2009 году канадские биохимики Константин Боков и Сергей Штейнберг из Монреальского университета, исследовав трёхмерную структуру рибосомной РНК современных бактерий E.coli, пришли к выводу, что рибосомы могли сформироваться в результате постепенной эволюции из очень простой маленькой молекулы РНК — «проторибосомы», способной катализировать реакцию соединения двух аминокислот. Все остальные структурные блоки рибосомы последовательно добавлялись к проторибосоме, не нарушая её структуру и постепенно повышая эффективность её работы. [4]
Механизм трансляции
Трансляция — синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной РНК (мРНК). мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, когда происходит узнавание 3′-концом 16S рибосомной РНК комплементарной последовательности Шайн-Далгарно, расположенной на 5′-конце мРНК (у прокариот), а также позиционирование стартового кодона (как правило, AUG) мРНК на малой субъединице. У эукариот малая субчастица рибосомы связывается также с помощью кэпа, на конце мРНК. Ассоциация малой и большой субъединиц происходит при связывании формилметионил-тРНК (fMET-тРНК) и участии факторов инициации (IF1, IF2 и IF3 у прокариот; их аналоги и дополнительные факторы участвуют в инициации трансляции у эукариотических рибосом). Таким образом, распознавание антикодона (в тРНК) происходит на малой субъединице.
После образования пептидной связи, полипептид оказывается связанным с тРНК, находящейся в А-сайте. На следующем этапе деацилированная тРНК двигается из Р-сайта в Е-сайт (exit-), а пептидил-тРНК из А- в Р-сайт. Этот процесс называется транслокацией и происходит при участии фактора EF-G. тРНК, комплементарная следующему кодону мРНК, связывается с А-центром рибосомы, что ведет к повторению описанных шагов. Стоп-кодоны (UGA, UAG и UAA) сигнализируют об окончании трансляции. Процесс окончания трансляции и освобождения готового полипетида, рибосомы и мРНК, называется терминацией. У прокариот он происходит при участии факторов терминации RF1, RF2, RF3 и RRF.
Строение и функции рибосом. Биосинтез белков и значение рибосом для организма
Рибосомы — субмикроскопические немембранные органеллы, необходимые для синтеза белка. Они объединяют аминокислоты в пептидную цепь, образуя новые белковые молекулы. Биосинтез осуществляется по матричной РНК путем трансляции.
Особенности строения
Рибосомы находятся на гранулярном эндоплазматическом ретикулуме или свободно плавают в цитоплазме. Крепятся они к эндоплазматической сети своей большой субъединицей и синтезируют белок, который выводится за пределы клетки, используется всем организмом. Цитоплазменные рибосомы в основном обеспечивают внутренние потребности клетки.
Форма шаровидная или овальная, в диаметре около 20нм.
На этапе трансляции к мРНК может прикрепляться несколько рибосом, образуя новую структуру – полисому. Сами же они образуются в ядрышке, внутри ядра.
Выделяют 2 вида рибосом:
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:
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
Строение рибосомы
Всего получено оценок: 174.
Всего получено оценок: 174.
Рибосомы – важные органеллы клетки, которые находятся на поверхности эндоплазматической сети. Строение рибосомы связано с синтезом белка.
Строение
Рибосома – это немембранная органелла, состоящая из двух частей – субъединиц. Рибосомы попадают на ЭПС или в цитоплазму из ядрышка через поры мембранной стенки ядра.
В зависимости от расположения рибосомы бывают двух видов:
Субъединицы делятся на два типа – большие и малые. Каждая часть состоит из смеси нуклеиновых кислот и протеина, т.е. по химической структуре рибосома является нуклеопротеидом.
В состав рибосом эукариотической клетки входят четыре вида рибосомальной РНК (рРНК), различающихся количеством нуклеотидов:
18S-рРНК и 30-35 белков составляют малую субъединицу, остальные рибонуклеиновые кислоты и 45-50 белков входят в состав большой субъединицы. Большая субъединица прокариот включает два вида РНК, а малая – один.
В ядрышке субъединицы синтезируются по отдельности. Они собираются в месте в единую рибосому только для работы – синтеза белка, который происходит на матричной РНК. Субъединицы обхватывают мРНК, собираясь в комплексы, которые называются полисомами или полирибосомами.
которые читают вместе с этой
По строению рибосомы животной клетки ничем не отличаются от растительной клетки. Однако клетки растений содержат значительно меньше рибосом, т.к. основную роль в обмене веществ играют хлоропласты.
Функции
Главная функция органоида – синтез белка.
Биосинтез белка включает несколько компонентов:
Биосинтез происходит в два этапа:
Матричная РНК – слепок, шаблон с ДНК, по которому рибосома синтезирует белок. Самая короткая рибонуклеиновая кислота – транспортная РНК – переносит аминокислоты к месту синтеза белка, выстраивая полипептидную цепь. При этом для каждой аминокислоты существует своя тРНК.
Процесс трансляции включает три фазы:
Элонгация происходит довольно быстро. За секунду полипептидная цепь увеличивается примерно на 20 аминокислот. Высвобождению цепи способствуют стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА) на мРНК. Данные кодоны не кодируют аминокислоты, и синтез на них заканчивается.
Рис. 3. Синтез белка на рибосомах.
В состав рибосом входит 10 % всего клеточного белка и 80 % клеточной РНК.
Что мы узнали?
Выяснили, каковы особенности строения и функций рибосом. Рибосома представляет собой плотную немембранную структуру, состоящую из белка и рРНК. Рибосомы находятся в растительных и животных клетках на ЭПС и в цитоплазме. Органеллы осуществляют синтез белка, считывая информацию с ДНК (создают мРНК) и синтезируя полипептидную цепь с мРНК.
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».