Рибосомы , также гранулы Паладе в честь первооткрывателя Джорджа Паладе — немембранные органеллы всех живых клеток . Представляют собой макромолекулярные машины , служащие для биосинтеза белка на стадии трансляции . Рибосомы вместе со связанными органеллами образуют белок-синтезирующий аппарат клеток и двумембранных органелл.

Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму, диаметр от 15—20 нанометров ( прокариоты ) до 25—30 нанометров ( эукариоты ), состоят из большой и малой субъединиц. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК , а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка.

В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах шероховатой эндоплазматической сети и в неприкреплённой 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 .

Обзор рибосом прокариот и эукариот

Рибосомы существуют в клетках как про- , так и эукариот . Рибосомы бактерий, архей и эукариот в значительной степени похожи друг на друга, что свидетельствует об их общем происхождении.Также у клеток всех доменов по одной цепи мРНК одновременно может перемещаться более одной рибосомы (составляя полисому). Прокариотические и эукариотические рибосомы различаются по размеру, структуре, составу и соотношению белка и РНК.

Двумембранные органеллы эукариот ( митохондрии и пластиды ) обладают собственным белоксинтезирующим аппаратом, в который входят рибосомы, сходные с прокариотическими. Это является одним из доказательств симбиотической теории происхождения указанных органелл.

Различия в структуре прокариотических и эукариотических рибосом позволяют некоторым антибиотикам убивать бактерии, ингибируя их рибосомы и оставляя при этом человеческие рибосомы незатронутыми. Однако при этом они могут действовать на митохондриальные рибосомы.

Прокариотические рибосомы

Прокариотические рибосомы имеют диаметр около 20 нм (200 Å) и состоят из 65 % рРНК и 35 % рибосомальных белков, имеют коэффициент седиментации 70S, каждая рибосома состоит из малой (30S) и большой (50S) субъединиц.

Рибосомы архей имеют те же размеры, что и бактериальные (70S, состоящие из 50S большой субъединицы и 30S малой субъединицы). Однако по составу они гораздо ближе к эукариотическим, чем к бактериальным. Многие рибосомные белки архей имеет эукариотические, но не бактериальные аналоги.

Эукариотические рибосомы

Эукариотические рибосомы имеют диаметр от 25 до 30 нм (250-300 Å) с отношением рРНК к белку, близким к 1, имеют коэффициент седиментации 80S, каждая состоит из малой (40S) и большой (60S) субъединиц.

Миторибосомы и Пласторибосомы

У эукариот рибосомы присутствуют в митохондриях ( миторибосомы ) и в пластидах (пласторибосомы). Они также состоят из больших и малых субъединиц, связанных вместе с белками в одну частицу 70S. Эти рибосомы похожи на рибосомы бактерий. Из двух, ближе к бактериальным пласторибосомы. Многие фрагменты митохондриальных рРНК укорочены, а в случае 5S рРНК заменяется другими структурами у животных и грибов. В частности, Leishmania tarentolae имеет минимальный набор митохондриальной рРНК. Напротив, растительные миторибосомы имеют как расширенную рРНК, так и дополнительные белки по сравнению с бактериями, в частности, многие белки с пентатрикопетидным повтором.

Криптомонадные и хлорарахниофитные водоросли могут содержать нуклеоморф , напоминающий рудиментарное эукариотическое ядро. Эукариотические 80-е рибосомы могут присутствовать в отсеке, содержащем нуклеоморф.

Состав и структура рибосомы

Рибосомы представляют собой нуклеопротеид и состоит из специфических (рибосомных) РНК , специфических (рибосомных) белков и небольшого количества низкомолекулярных компонентов. Рибосомные белки и рРНК организованы в две отдельные рибосомальные части разного размера, известные обычно как большая и малая субъединицы рибосомы. Две субъединицы подходят друг к другу и работают как одна, чтобы преобразовать мРНК в полипептидную цепь во время синтеза белка. Поскольку субъединицы неодинакового размера, рибосомы немного длиннее по оси, чем по диаметру.

Соотношение РНК/белок в рибосомах 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 , 5,8 S и 28S рРНК синтезируются в ядрышке РНК-полимеразой I в виде единого предшественника (45S), который затем подвергается модификациям и нарезанию. 5S рРНК синтезируются 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 ) у цитоплазматических рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), у рибосом прокариотических клеток, митохондрий и пластид — 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).

Рибосомные РНК

Структурно и функционально рибосома — это, прежде всего, её РНК. Рибосомная РНК (рРНК) в составе рибосомы очень компактна, имеет сложную третичную структуру и плотно инкрустирована молекулами различных рибосомных белков. Очищенные от белков высокомолекулярные рРНК в специально подобранных условиях (20 мМ Mg ²⁺ , ионная сила 0,3—0,5, иногда условия включают также присутствие ди- и полиаминов, этанола ) самопроизвольно сворачиваются в компактные частицы, морфологически (формой, внутренней структурой и размерами) очень схожие с рибосомными субчастицами, основу которых они составляют. Таким образом, общий план структурной организации рибосомы задаётся свойствами рРНК. Третичная структура рРНК выступает каркасом для размещения рибосомных белков, белки же в определённом смысле играют лишь второстепенную роль в формировании и поддержании структуры рибосомы и её функционировании.

Как полагают, эволюция рибосомы началась ещё в добелковую эру . Предположительно «предками» рибосом являлись некие древние рибозимы . Полагают, что в ходе прогрессивной эволюции (с усложнением уровня организации живых систем) некие рибозимы, способные катализировать образование амидных связей, также прогрессировали («обрастали» дополнительными модулями, а позже — также и синтезируемыми ими полипептидами), вплоть до образования современного аппарата белкового синтеза, включая рибосому. Современная рибосома, по своей сути, продолжает оставаться рибозимом — основная структурно-функциональная нагрузка лежит на её РНК, а не на белках, как когда-то полагали. В состав пептидилтрансферазного центра — наиболее древней, эволюционно консервативной и функционально важной части рибосомы — входит исключительно РНК. Тот факт, что в то время как практически во всех процессах жизнедеятельности ведущую роль играют белки, в синтезе самих белков ведущая роль принадлежит РНК, является сильным аргументом в пользу гипотезы РНК-мира как древнего добелкового этапа эволюции живой материи.

РНК малой субъединицы

Рибосомная РНК малой субъединицы рибосомы обозначается как 16S рРНК (в случае бактериальных рибосом) или 16S-подобная рРНК (в других случаях). В большинстве случаев рРНК малой субъединицы представляет собой одну ковалентно непрерывную полирибонуклеотидную цепь. Однако 16S-подобная рРНК митохондриальных рибосом некоторых протистов фрагментирована (например, у Chlamydomonas reinhardtii она состоит из четырёх отдельных полирибонуклеотидов).

Число нуклеотидных звеньев , как и константы седиментации , для образцов 16S и 16S-подобных рРНК из различных источников могут существенно различаться. В рибосомах бактерий , архей и в рибосомах пластид высших растений эти молекулы имеют размер около 1500 нуклеотидных остатков ( Escherichia coli — 1542). Для 16S-подобных рРНК эукариотических цитоплазматических рибосом, а также для митохондриальных рибосом грибов и высших растений характерна длина до 2000 нуклеотидных остатков (18S рРНК). Митохондриальные рибосомы млекопитающих содержат относительно короткие 16S-подобные рРНК (10—12S), которые состоят из ~950 нуклеотидных остатков. Ещё более короткие 16S-подобные рРНК, размером всего ~600 нуклеотидных остатков, обнаружены в рибосомах кинетопласта трипаносоматид .

РНК большой субъединицы

Высокомолекулярная РНК, составляющая структурную основу большой субъединицы рибосомы, обозначается как (в случае бактериальных рибосом) или 23S-подобная рРНК (в других случаях). Бактериальная 23S рРНК, также как и 16S рРНК, представляет собой одну ковалентно непрерывную полирибонуклеотидную цепь. В то же время 23S-подобная рРНК цитоплазматических рибосом эукариот состоит из двух прочно ассоциированных полирибонуклеотидных цепей — 28S и 5,8S рРНК (5,8S рРНК является структурным эквивалентом 5′-концевого ~160-нуклеотидного сегмента 23S рРНК, который оказался «отщеплён» в виде ковалентно обособленного фрагмента). 23S-подобная рРНК рибосом пластидов растений также состоит из двух прочно ассоциированных полирибонуклеотидных цепей и содержит 4,5S рРНК — структурный эквивалент 3′-концевого сегмента 23S рРНК. Известны случаи и ещё более глубоко зашедшей фрагментированности РНК, примером чего может служить 23S-подобная рРНК цитоплазматических рибосом некоторых протистов. Так, у она состоит из 7 отдельных фрагментов, а у — из 14.

Кроме вышеуказанной 23S(-подобной) рРНК, большая субъединица обычно содержит также относительно низкомолекулярную РНК — так называемую 5S рРНК. В отличие от вышеупомянутых 5,8S и 4,5S рРНК, 5S рРНК менее прочно ассоциирована с 23S(-подобной) рРНК, транскрибируется с отдельного гена и, таким образом, не может быть рассмотрена как отщеплённый фрагмент высокополимерной рРНК. 5S рРНК входит в состав большой субъединицы цитоплазматических рибосом всех прокариот и эукариот, но, по-видимому, не является непременной составляющей любой функциональной рибосомы, так как 5S рРНК отсутствуют в митохондриальных рибосомах млекопитающих (так называемых «минирибосомах»).

Число нуклеотидных звеньев, как и константы седиментации, для образцов 23S и 23S-подобных рРНК из различных источников могут существенно различаться. Например, 23S рРНК Escherichia coli состоит из 2904 нуклеотидных остатков, цитоплазматическая 26S рРНК Saccharomyces cerevisiae — из 3392, митохондриальная 26S рРНК Saccharomyces cerevisiae — из 3273, цитоплазматическая 28S рРНК Homo sapiens — из 5025. Большие субъединицы митохондриальных рибосом млекопитающих содержат относительно короткие 23S-подобные рРНК — всего 1560—1590 нуклеотидных остатков. Молекула 5,8S рРНК комплекса 28S•5,8S рРНК, характерного для цитоплазматических эукариотических рибосом, имеет длину около 160 нуклеотидных остатков. Длина 5S рРНК довольно консервативна и составляет 115—125 нуклеотидных остатков.

Рибосомные белки

Помимо рРНК, рибосома содержит также около 50 (прокариотические рибосомы) или 80 (цитоплазматические рибосомы эукариот) различных белков . Почти каждый из этих белков представлен лишь одной копией на каждую рибосому. Преобладают умеренно-осно́вные белки. Большинство рибосомных белков эволюционно консервативны, многие белки рибосом из различных источников могут быть соотнесены как гомологи , что учитывается в современной универсальной номенклатуре рибосомных белков. Рибосома на 30—50 % состоит из белка.

Низкомолекулярные компоненты

Кроме биополимеров (РНК и белков) в состав рибосом входят также некоторые низкомолекулярные компоненты. Это молекулы воды, ионы металлов (главным образом Mg ²⁺ — до 2 % сухой массы рибосомы), ди- и полиамины (такие как путресцин , кадаверин , , спермин — могут составлять до 2,5 % сухой массы рибосомы).

Механизм трансляции

Трансляция — синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной РНК ( мРНК ). У прокариот мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы в результате взаимодействия 3′-конца 16S рРНК с комплементарной ему последовательностью Шайн — Дальгарно 5′-конца мРНК (для связывания малой субъединицы эукариотической рибосомы помимо специфического мотива в нуклеотидной последовательности мРНК, необходимо также наличие кэп-структуры на её 5′-конце). Далее происходит позиционирование стартового кодона (как правило, AUG) мРНК на малой субъединице. Дальнейшая ассоциация малой и большой субъединиц происходит при связывании инициаторной тРНК (у прокариот — это формилметионил- тРНК , обозначаемая как fMet-тРНК _f ^Met ) и при участии факторов инициации (IF1, IF2 и IF3 у прокариот; в случае эукариотических рибосом в инициации трансляции участвуют аналоги прокариотических факторов, а также дополнительные факторы). Таким образом, распознавание антикодона (в тРНК) происходит на малой субъединице.

После ассоциации, fMet-тРНК _f ^Met находится в P- (peptidyl-) сайте каталитического (пептидилтрансферазного) центра рибосомы. Следующая тРНК, несущая на 3′-конце аминокислоту и комплементарная второму кодону на мРНК, находясь в комплексе с заряженным ( GTP ) фактором элонгации , поступает в А- (aminoacyl-) сайт рибосомы. Затем, образуется пептидная связь между формилметионином (связанным с тРНК _f ^Met , находящейся в Р-сайте) и аминокислотой, принесённой тРНК, находящейся в А-сайте. Механизм катализа реакции транспептидации (образования пептидной связи в пептидилтрансферазном центре) до сих пор полностью не выяснен. Существует несколько гипотез, объясняющих детали этого процесса:

1. Оптимальное позиционирование субстратов (induced fit)
2. Исключение из активного центра воды, способной прервать образование пептидной цепи посредством гидролиза
3. Участие нуклеотидов рРНК (таких как А2450 и А2451) в переносе протона
4. Участие 2′-гидроксильной группы 3′-концевого нуклеотида тРНК (А76) в переносе протона

Вероятно, высокая эффективность катализа достигается сочетанием этих факторов.

После образования пептидной связи, полипептид оказывается связанным с тРНК, находящейся в А-сайте. На следующем этапе деацилированная тРНК _f ^Met сдвигается из Р-сайта в Е-сайт (exit-), пептидил-тРНК — из А-сайта в Р-сайт, а мРНК продвигается на один триплет нуклеотидов (кодон). Этот процесс называется транслокацией и происходит с затратой энергии ( GTP ) при участии фактора .

Далее, тРНК, комплементарная следующему кодону мРНК, связывается с освободившимся А-сайтом рибосомы, что ведёт к повторению описанных шагов, а образуемый полипептид удлиняется на один аминокислотный остаток с каждым циклом. 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.

История исследований рибосомы

Рибосомы впервые были описаны как уплотнённые частицы, или гранулы, американским клеточным биологом румынского происхождения Джорджем Паладе в середине 1950-х годов . В 1974 г. Джордж Паладе , Альбер Клод и Кристиан Де Дюв получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки».

Термин «рибосома» был предложен Ричардом Робертсом в 1958 вместо «рибонуклеопротеидная частица микросомальной фракции» на первом симпозиуме, посвящённом этим частицам и их роли в биосинтезе белка . Биохимические и мутационные исследования рибосомы начиная с 1960-х позволили описать многие функциональные и структурные особенности рибосомы.

В начале 2000-х были построены модели с атомным разрешением (до 2,4 Å) структур отдельных субъединиц, а также полной прокариотической рибосомы, связанной с различными субстратами, которые позволили понять механизм (распознавания антикодона тРНК, комплементарного кодону мРНК) и детали взаимодействий между рибосомой, тРНК , мРНК , факторами трансляции, а также различными антибиотиками . Это крупнейшее достижение в молекулярной биологии было отмечено Нобелевской премией по химии 2009 года («За исследования структуры и функций рибосомы»). Награды были удостоены американец Томас Стейц , британец индийского происхождения Венкатраман Рамакришнан и израильтянка Ада Йонат . В 2010 году в лаборатории Марата Юсупова была определена трехмерная структура эукариотической рибосомы .

В 2009 году канадские биохимики Константин Боков и Сергей Штейнберг из Монреальского университета, исследовав третичную структуру рибосомной РНК бактерии Escherichia coli , высказали обоснованное предположение, 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 .

Примечания

Литература

• Спирин А. С. Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка / Рецензенты: акад. РАН, д-р хим. наук, проф. Богданов А. А.; чл.-кор. РАН, д-р хим. наук Цетлин В. И.; ред. Пирогова И. В.; тех. ред. Крайнова О. Н.; комп. верстка Никитина Г. Ю.; кор. Петрова Г. Н.. — изд. (2). — М. : «Академия», 2011. — 496 + 16 (цв. илл.) с. — (Высшее профессиональное образование). — 1000 экз. — ISBN 978-5-7695-6668-4 .

Ссылки

• «Тайна происхождения рибосом разгадана?», Александр Марков, 27.02.2009
• Сайт одного из ведущих учёных по исследованию структуры рибосом, содержит большое количество иллюстраций, в том числе анимированных (англ.)