Что такое субъединица рибосомы

Определена структура малой субъединицы эукариотической рибосомы

Рибосомы — это большие молекулярные машины, состоящие из молекул РНК и белков, которые присутствуют во всех живых клетках. Их биологическая роль заключается в осуществлении трансляции — процесса биосинтеза белковых молекул, в ходе которого последовательность аминокислот в полипептидных цепях однозначно определяется информацией генетического кода. В 2000 году ученые определили атомную структуру малой субъединицы бактериальной рибосомы и большой субъединицы рибосомы архебактерий. Это позволило гораздо лучше понять работу трансляционного аппарата у прокариотических организмов. Теперь удалось определить молекулярную структуру малой субъединицы эукариотической рибосомы в комплексе с фактором инициации трансляции eIF1 с разрешением 3,9 ангстрем.

Рибосомы всех живых организмов состоят из двух субъединиц — малой субъединицы, которая декодирует информацию с молекул матричных РНК (мРНК), и большой субъединицы, которая катализирует образование пептидной связи между растущей полипептидной цепочкой будущего белка и каждой последующей аминокислотой. По сравнению с рибосомами бактерий эукариотические рибосомы гораздо крупнее (около 4300 кДа) и сложнее в организации (имеют дополнительные 45 белков и две рибосомальные РНК). Хотя их основные функции довольно консервативны у всех живых организмов, тем не менее процесс инициации белкового синтеза у эукариот существенно отличается от аналогичного процесса прокариот.

Стадия инициации белкового синтеза у эукариот является регуляторной мишенью в ряде клеточных процессов, включая развитие, процессы дифференцировки, реакцию на стресс и нейронное функционирование (то есть на этой стадии происходит многосторонняя регуляция этих процессов). Многие заболевания, включая рак и нарушения метаболизма, связаны с нарушением регуляции инициации трансляции. Центральную роль в этом процессе играет малая рибосомальная субъединица (40S) — она связывается с факторами инициации, которые запускают сканирование мРНК и начало белкового синтеза. Причем если в бактериальном аппарате трансляции используется только три фактора инициации, то трансляция эукариот зависит как минимум от 12 факторов инициации, которые упорядоченно собраны в малой субъединице. Также необходимо отметить, что, в отличие от бактерий, у эукариотических организмов сборка рибосом происходит в разных клеточных компартментах.

Группе ученых из Института молекулярной биологии и биофизики (Цюрих, Швейцария) удалось кристаллизовать комплекс малой 40S-субъединицы эукариотической рибосомы и фактора инициации eIF1 и определить кристаллическую структуру с разрешением 3,9 ангстрем.

Как известно, биомолекулы способны образовывать кристаллы, которые могут рассеивать рентгеновские лучи. На основании картины дифракции рентгеновских лучей кристаллами можно воссоздать трехмерную кристаллическую структуру. Процесс получения трехмерной структуры белка состоит из нескольких стадий. Поскольку для кристаллизации необходимо большое количество белка, то, как правило, первым этапом является молекулярное клонирование его гена (генов) с последующей экспрессией, например в специальных бактериальных штаммах. Далее происходит очистка белкового препарата в несколько стадий различных хроматографий, так как белки, используемые для кристаллизации, должны обладать высокой степенью чистоты. Следующая стадия — кристаллизация белков (или комплексов), где применяется довольно много технических ухищрений для получения кристаллов, подходящих для дальнейшей работы. После получения удачных образцов кристаллов их замораживают и хранят в жидком азоте до следующей стадии — рассеивания рентгеновских лучей и получения картины их дифракции. Этот этап осуществляется при помощи синхротронов: кристалл облучается рентгеновскими лучами при разных углах поворота вокруг собственной оси. Картины дифракции записывают и анализируют при помощи специализированного программного обеспечения. Одна из главных характеристик на этом этапе — разрешение дифракционной картины рассеивания рентгеновских лучей, что определяет, например, будут ли видны отдельные аминокислоты на конечной структуре или только элементы вторичной структуры белка. Последняя стадия — построение компьютером модели структуры белка и окончательное определение пространственной структуры белка или комплекса белков с другими молекулами.

Благодаря комбинации методик по моделированию атомных структур, авторы построили пространственную модель рибосомальной 40S-субъединицы, а также определили третичную структуру всей молекулы 18S-рибосомальной РНК (рРНК); см. рис. 1.

Эукариотическая 40S-субъединица содержит 33 белковые молекулы, 18 из которых отсутствуют у бактерий. В результате данного исследования были показаны пространственные укладки всех рибосомальных белков малой 40S-субъединицы (рис. 2 и 3).

К настоящему моменту известно, что для преодоления пространственных помех во время процесса трансляции, обусловленных элементами вторичной структуры мРНК, рибосомы обладают внутренней хеликазной активностью, чтобы расплетать молекулы мРНК. В ходе исследования был смоделирован канал для мРНК в эукариотической рибосоме, особенности которого по сравнению с аналогичной структурой бактериальных рибосом также обуславливают разницу инициации трансляции у прокариот и эукариот (рис. 4A).

Теперь известно, что эукариотические рибосомальные белки образуют протяженные контакты между собой, а не с рРНК, как у прокариот. Полученные данные позволяют говорить о том, что форма «клюва» эукариотической малой субъединицы похожа на такую же структуру у малой субъединицы прокариотической рибосомы, но состоит в основном из белков, а не из РНК (рис. 4B).

Эукариотический фактор инициации eIF1 не имеет структурных гомологов у бактерий, хотя некоторые функции у него схожи с бактериальным фактором инициации трансляции IF3. Фактор eIF1 играет важную роль в инициации трансляции у эукариот — с его участием происходит переход 40S-субъединицы в конформацию, готовую к сканированию мРНК. Во время сканирования фактор eIF1 способен распознать стартовый кодон трансляции, далее происходит его диссоциация из инициаторного комплекса, что приводит к формированию закрытого комплекса у малой 40S-субъединицы. В данной работе авторы впервые показали точную локализацию и характер взаимодействия инициаторного фактора eIF1 с 40S-субъединицей (рис. 5), что приоткрывает занавес над вопросом о взаимодействии фактора eIF1 и инициаторной транспортной РНК (тРНК).

Таким образом, определение кристаллической структуры 40S-субъединицы демонстрирует функциональные и эволюционные особенности эукариотических рибосом. Для дальнейшего уточнения полученных данных и ответов на вопросы о сборке, созревании и транспортировке 40S-субъединиц необходимы биохимические и генетические эксперименты, отправной точкой для которых послужит полученная в результате данной работы структура.

Источник: Julius Rabl, Marc Leibundgut, Sandro F. Ataide, Andrea Haag, Nenad Ban. Crystal Structure of the Eukaryotic 40S Ribosomal Subunit in Complex with Initiation Factor 1 // Science. 11 February 2011. V. 331. P. 730–736.

Источник

Рибосомы: строение и функции

Рибосомы – это как крошечные фабрики в клетке. Они производят белки, которые выполняют различные функции для работы клетки.

Рибосомы или находятся в жидкости внутри клетки, что называется цитоплазмой, или присоединены к мембране. Их можно найти как у прокариотах (бактерий), так и у эукариотах (животные и растения). Больше о химическом составе и структуре клетки читайте в учебнике по биологии за 9 класс Л.И. Остапченко.

Рибосома имеет два основных компонента, которые называются большой и малой субъединицами. Эти две единицы объединяются, когда рибосома готова выработать новый белок. Они состоят из цепей РНК и различных белков.

В большой субъединицы содержатся сайты, где создаются новые связи при создании белков. Малая субъединица на самом деле не так уж и мала, только немного меньше, чем большая. Она отвечает за поток информации при синтезе белка.

Согласно величине константы седиментации, которая зависит от размера частиц, их формы и плотности, рибосомы разделяют на 70S (S является единицей измерения Сведберга) – прокариотические и 80S – эукариотические. Рибосомы хлоропластов высших растений относятся к 70S типа. Митохондриальные рибосомы грибов имеют коэффициент седиментации 75S, а митохондрии млекопитающих содержат мини-рибосомы – 55S, хотя функциями они похожи на 70S рибосом прокариот.

Основная работа рибосомы – это изготовление белков для клетки. Клетке необходимо изготовить сотни белков, поэтому рибосома требует конкретных инструкций, как изготовить каждый. Эти инструкции поступают из ядра в виде месенджерних РНК. В м-РНК содержатся конкретные коды, которые действуют как рецепт, чтобы рассказать рибосоме, как сделать белок.

В выработке белков есть два основных этапа: транскрипция и трансляция. Рибосома делает этап трансляции. Узнать больше о белках можно в учебнике по биологии за 9 класс В.И. Соболя.

Трансляция – это процесс получения инструкций от м-РНК и превращения ее в белок. Основной задачей функционирования живой клетки считается биосинтез белка. Для воспроизведения этой операции абсолютно во всех клеточных организмах находятся рибосомы. Рибосома делает следующие шаги, чтобы сделать белок:

Две субъединицы объединяются вместе с РНК для обмена сообщениями.

Рибосома распознает тритонуклеотидные кодоны м-РНК.

Рибосома движется вниз по РНК, читая инструкции о том, какие аминокислоты присоединить к белку. Для отличия аминокислот в клетке существуют особые «адаптеры» – молекулы т-РНК. Они напоминают форму листа клевера, имеющий область (антикодон), соответствующую кодону м-РНК, и еще один участок для присоединения аминокислоты, которая комплиментарная этому кодону.

Рибосома присоединяет аминокислоты, образующие белок. Прикрепление аминокислот к т-РНК происходит в энергозависимой реакции с помощью ферментов аминоацил-т-РНК-синтетазы.

Рибосома прекращает строить белок, когда он достигает кода «стоп» в РНК, который сообщает ему, что белок готов.

Интересные факты о рибосоме:

Название рибосомы происходит от рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая дает указания по изготовлению белков.

Рибосомы изготавливаются внутри ядра. После того, как они готовы, они направляются за его пределы через поры в мембране ядра.

Рибосомы отличаются от большинства органелл тем, что они не окружены защитной мембраной.

Рибосому было открыто в 1974 году Альбертом Клодом, Кристианом де Дюве и Джорджем Эмилем Палладом. Они получили Нобелевскую премию за свое открытие.

Источник

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