Рибосомы нужны. Особенности строения клеток прокариот и эукариот
Рибосомы - немембранные универсальные органеллы, в состав которых входят рРНК и белки. Открытые в 1955 году Джорджем Палладе. О важности этих органелл в клетке свидетельствует тот факт, что в 2009 году американские ученые В. Рамакришнан, Т. Стейц и А. Йонат за изучение структуры рибосом получили Нобелевскую премию по химии.
В клетке созревшие рибосомы находятся преимущественно в компартментах, где активно осуществляется биосинтез белков. Они могут быть свободно расположенными в цитоплазме, прикрепленными к мембранам зернистой ЭПС, на ядерной оболочке, в пластидах и митохондриях. Находятся в прокариотических и эукариотических клетках, за исключением эритроцитов млекопитающих. Учитывая массу и распространения различают два вида рибосом:
1) малые рибосомы (70S) - содержатся в клетках прокариот, а также в пластидах и митохондриях эукариот; такие рибосомы подключен к мембранам и имеют диаметр 15 нм;
2) большие рибосомы (80S) - содержатся в цитоплазме клеток эукариотического типа; такие рибосомы имеют диаметр около 22 нм и связанные с мембранами гранулярной ЭПС.
Строение . Структурная организация рибосом принципиально одинакова. Каждая из этих органелл состоит из двух субъединиц: большой и малой. Субъединицы рибосом, как правило, обозначаются единицами Сведберга (S), является мерой скорости седиментации при центрифугирования, и зависят от массы, размера и формы частицы. В рибосомах эукариот эти большая и малая субъединицы имеют константу седиментации Сведберга, соответственно, 60S и 40S. Сочетаются обе субъединицы поперечными сторонами с помощью ионов магния (Мд2 +) с образованием узкой щели. Рибосомы в эукариот синтезируются в ядрышке. Матрицей для рРНК есть участки ДНК. В прокариот рибосомы образуются в цитоплазме в результате простого сочетания компонентов.
Химическая организация. Рибосомы содержат рибосомальной РНК (рРНК) и белок: 40 60% рРНК и 60-40% белка. В рибосомах находится около 80-90% всей РНК клетки. Каждая субъединица содержит по одной или две молекулы рРНК в виде клубка, плотно упакованного белками, створююе рибонуклеопротеидний комплекс. При снижении концентрации ионов магния в растворе может наступить изменение конформации РНК и развертывания тяжа. Неработающие рибосомы постоянно обмениваются субъединицами. Собираются они только в момент синтеза белков и формируют вместе с иРНК полисомы, или полирибосомы. Рибосомы могут размещаться в цитоплазме клетки одиночно, тогда они функционально неактивны. Сбор рибосом на иРНК происходит в начале синтеза белка. Количество рибосом зависит от метаболической активности клетки. Особенно много полисом есть в клетках, которые быстро делятся, и в тех, которые продуцируют большое количество белков. Количество рибосом в таких клетках может достичь 50 000, что составляет около 25% массы всей клетки.
Функции . Методом меченых аминокислот обнаружено, что в рибосомах происходит синтез белков. Полипептидные молекулы белка синтезируются таким образом, что определенные аминокислоты в рибосоме соединяются друг с другом в соответствующей последовательности. Поэтому информационная РНК, кодирующей порядок размещения аминокислот, имеет перемещаться по рибосоме. Чем больше рибосом содержит полисома, тем больше молекул полипептидов будет синтезироваться на ней одновременно. Синтез белка на рибосомах начинается с прикрепления рибосомы к определенному участку иРНК.
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:
- Малые – находятся в прокариотических клетках, а также в хлоропластах и митохондриальном матриксе. Они не связаны с мембраной и имеют меньшие размеры (в диаметре до 15нм).
- Большие – находятся в эукариотических клетках, могут достигать в диаметре до 23нм, связываются с эндоплазматической сетью или крепятся к мембране ядра.
Схема строения
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:
- Эосома – первая фаза, при этом в ядрышке на ДНК синтезируется лишь рРНК;
- неосома – структура включающая не только рРНК, но и белки, после ряда модификаций выходит в цитоплазму;
- рибисома – зрелая органелла, состоящая из двух субъединиц.
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
- Рибосомы синтезируют белок для собственных нужд клетки и за ее пределы. Так в печени образуются плазменные факторы свертывания крови, плазмоциты продуцируют гамма-глобулины.
- Считывание закодированной информации с РНК, соединение аминокислот в запрограммированном порядке с образованием новых белковых молекул.
- Каталитическая функция – формирование пептидных связей, гидролиз ГТФ.
- Свои функции в клетке рибосомы выполняют более активно в виде полирибосом. Эти комплексы способны одновременно синтезировать несколько молекул белка.
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:
- связанные - оседают на ЭПС;
- свободные - находятся в цитоплазме.
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.
Рис. 1. Строение рибосом.
В состав рибосом эукариотической клетки входят четыре вида рибосомальной РНК (рРНК), различающихся количеством нуклеотидов:
- 18S - 1900 нуклеотидов;
- 5S - 120 нуклеотидов;
- 5,8S - 160 нуклеотидов;
- 28S - 4800 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.
ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой
Рис. 2. Полисомы и мРНК.
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:
- мРНК;
- рРНК;
- полипептид;
- 20 аминокислот;
- ГТФ (гуанозинтрифосфат) в качестве источника энергии;
- рибосомальные белки;
- белковые факторы, регулирующие процесс.
Биосинтез происходит в два этапа:
- транскрипция - считывание и копирование информации с ДНК, образование мРНК;
- трансляция - синтез белка на рибосомах с помощью транспортной РНК (тРНК).
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:
- инициацию - рибосома прикрепляется к началу мРНК;
- элонгацию - собственно синтез белка, образование полипептидной цепи;
- терминацию - высвобождение синтезированной цепи от рибосомы.
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.
Изучение основных процессов, которые поддерживают существование органической жизни, ведется в разных направлениях. Львиная доля исследований приходится на молекулярную биологию и микробиологию. Как уже сейчас ясно, здоровье и жизнь многоклеточных сложных организмов по большей части зависит от тех операций, которые протекают внутри клеток. Изучение внутриклеточных метаморфоз – трудоемкое занятие, поскольку клетка многоклеточного эукариота не может жить жизнью отдельного организма. Жизнь эукариотов изучается, в том числе, и на базе знаний о простейших и бактерий. Так, рибосомы простейших бактерий очень похожи и по строению, и по функциям с ядерными клетками.
Бактериальная рибосома
Изучая рибосомы в составе бактерий, человек получает не только важные знания о сложном процессе синтеза белка из аминокислот в органической клетке, но и добывает инструменты в борьбе со многими болезнями. Именно рибосомные нуклеопротеиды бактерий дают информацию о механизмах воздействия антибиотиков на патогенные микроорганизмы (вирусы, бактерии и т.д.).
В клетке бактерии рибосома выполняет функцию формировщика молекул белка. Ее строение обуславливает сложный процесс биосинтеза.
Суть работы нуклеопротеида заключается в том, что с его помощью на базе матричных РНК, с использованием транспортных РНК, производятся сложные полипептидные соединения, без которых бактериальная клетка не может продолжать свое существование.
Матричная и транспортная РНК не являются частью рибосомы, а содержатся в цитоплазме бактериальной клетки.
Таким образом, в синтезе белка принимает участие три клеточных структуры:
- матрица;
- транспортная РНК;
- рибосома.
Методы изучения
Современные биологические лаборатории имеют широкие возможности для изучения клетки и ее органоидов.
В сравнении с рибосомами эукариот, эти органоиды у прокариотов очень мелкие. Хотя в остальном эти составляющие клеток и бактерий и эукариотов очень похожи. Они также состоят из двух субчастиц, и сам процесс синтеза белка имеет массу схожих механизмов.
В связи с тем, что рибосомные нуклеопротеиды представляют одну из наиболее интересных человеку структурных единиц клетки, сегодня есть достаточно методов выявления закономерностей устройства и функционирования этого органоида.
Одним из самых широко используемых методов выявления нуклеопротеидов в бактериях является рибосомальный профилинг.
Этот метод выполняют следующим образом:
- Разрушение бактериальной клетки путем механического воздействия на нее. Химические реакции в данном случае исказят картину.
- Разрушение молекул РНК, которые не входят в состав рибосомы.
- Удаление всех полипептидных остатков из тех продуктов, которые были получены в результате разрушения.
- Обратное преобразование РНК в ДНК.
- Чтение аминокислотных последовательностей.
Само секвенирование может реализовываться с помощью нескольких методов, в частности, двух самых распространенных.
Метод Эдмана
Один из первых разработанных. Суть этого метода состоит в том, что пептид (белок) обрабатывают определенными реагентами, в результате чего происходит отщепление аминокислоты, из которой состоит белок.
Метод Сэнгера
Наиболее современный метод. Основан на использовании синтетического олигонуклеотида (олигонуклеотиды состоят более чем из двух нуклеиновых кислот).
Используемый метод позволяет идентифицировать все, даже наиболее мелкие участки РНК, которая исследуется. Благодаря получению полной информации об аминокислотах исследователи имеют возможность восстанавливать наиболее важные операционные моменты биосинтеза.
Большое значение эта информация имеет при исследовании реакции бактерий на антибиотики.
Строение
На данный момент наука имеет убедительное количество проверенных опытным путем сведений о строении рибосом бактерий и эукариотов.
Это макромолекулярный комплекс, который состоит из двух субчастиц разной величины:
- малая субчастица;
- большая субчастица.
Малая рибосома состоит из одной рибосомной РНК и трех десятков разных белков. Основная функция малой субчастицы состоит в том, чтобы связывать нуклеопротеид с матричной РНК (мРНК).
В течение всего процесса инициации и элонгации (присоединение мономеров к цепи макромолекулы) малая субчастица удерживает мРНК. Кроме того, она обеспечивает прохождение матрицы через нуклеопротеоид.
Таким образом, малая субчастица выполняет генетическую функцию декодирования информации.
В большой субчастице содержится 3 рибосомных РНК и около 50 белковых соединений. Большая субчастица с матрицей не вступает в контакт, она ответственна за протекание химических процессов в нуклеопротеидах при образовании полипептидных связей в транслируемом полипептиде.
Процесс трансляции
Процесс синтезирования белка (как у бактерий, так и эукариотов) имеет следующий цикл:
- инициация;
- элонгация;
- терминация.
Инициация
Инициация начинается с того, что к малой субчастице рибосомы присоединяется матричная РНК.
Если рибосомная макромолекула узнает тот трехбуквенный кодон, который есть на мРНК, то происходит присоединение антикодона тРНК.
Элонгация
Присоединений аминокислот, которые принесла тРНК и продвижение рибосомы вдоль матрицы с высвобождением молекулы тРНК.
Движение по мРНК осуществляется до тех пор, пока оно не достигает стоп-кодона, который имеется во всех матрицах.
Терминация
Новообразованный белок, который состоит из протранслированных аминокислот, отсоединяется.
В некоторых случаях завершение трансляции новообразованного белка сопровождается распадом (диссоциацией) рибосомы.
Отличия синтеза белка в клетках эукариотов
Несмотря на то, что рибосомы эукариотов состоят из тех же структурных частей, что и в клетках бактерий, синтез полипептидов эукариотов имеет свои особенности.
Рибосомы — внутриклеточные органеллы диаметром 20—22 нм, осуществляющие биосинтез белка. Они обнаружены в клетках всех живых организмов. Форма рибосом близка к сферической. Для клеток прокариот (бактерий, синезеленых водорослей), а также для хлоропластов и митохондрий эукариот характерны 70 S рибосомы; в цитоплазме всех эукариот обнаружены 80 S рибосомы. S — показатель скорости осаждения (седиментации), чем больше число S, тем выше скорость осаждения. Расположение рибосом в цитоплазме может быть свободным, но чаще всего они связаны с ЭПС, образуя полисомы (объединения ри-босом в цитоплазме может быть свободным, но чаще всего они связаны с ЭПС, образуя полисомы (объединения рибосом с помощью информационной РНК).
Состав и строение рибосом . Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. Большая субъединица каждой рибосомы прикреплена к мембране самой шероховатой ЭПС, а малая выступает в цитоплазматический матрикс. Малая объединяет 1 молекулу рРНК и 33 молекулы различных белков, большая — три молекулы рРНК и около 40 белков. рРНК (рибосомная) выполняет функцию каркаса для белков (выполняют структурную и ферментативную роль), а также обеспечивает связывание рибосом с определенной нуклеотидной последовательностью иРНК (информационная РН К). Образование
рибосом в клетках идет путем самосборки из предварительно синтезированных РНК и белков. Предшественники рибосомальной РНК синтезируются в ядрышке на ДНК ядрышка.
Функции рибосом:
. специфическое связывание и удержание компонентов белоксинтезирующей системы (информационной РНК; транспортных РНК, (ГТФ) и белковых факторов трансляции);
. каталитические функции (образование пептидной связи, гидролиз гуанозинтрифосфата);
. функции механического перемещения субстратов (информационной и транспортных РНК), или транслокации.
Трансляция — процесс образования полипептидной цепи на матрице и РНК. Синтез белковых молекул происходит на рибосомах, расположенных либо свободно в цитоплазме, либо на шероховатом ЭПР.
Этапы трансляции (рис. 13):
Рис. 13. Схема трансляции
Последовательные стадии синтеза полипептида:
. малая субъединица рибосомы соединяется с мет тРНК, затем с иРНК;
. рибосома перемешается вдоль и РНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи;
. рибосома достигает одного из стоп-кодонов иРНК, полипептидная цепь высвобождается и отделяется от рибосомы.
Активация аминокислот. Каждая из 20 аминокислот белка соединяется ковалентными связями к определенной тРНК, используя энергию АТФ. Реакция катализуется специализированным ферментом, требующими присутствия ионов магния — аминоацил-тРНК-синтетазой.
Инициация белковой цепи. В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр с двумя участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильный (А-участок). В первой позиции находится тРНК, несущая определенную аминокислоту, во второй располагается тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот. 5"-конец иРНК, который содержит информацию о данном белке, связывается с Р-участком малой частицей рибосомы и с инициирующей аминокислотой (у прокариот формилметионин; у эукариот — метионин), прикрепленной к соответствующей тРНК. тРНК комплементарна с находящимся в составе иРНК триплетом, сигнализирующим о начале белковой цепи.
Элонгация представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит удлинение пептида. Полипептидная цепь удлиняется за счет последовательного присоединения аминокислот, каждая из которых доставляется к рибосоме и встраивается в определенное положение при помощи соответствующей тРНК. Между аминокислотой из пептидной цепочки и аминокислотой, соединенной с тРНК, образуется пептидная связь. Рибосома продвигается вдоль мРНК и тРНК с цепочкой аминокислот попадает в А-участок. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока рибосомы не поступят в кодон-терминатор, для которого не существует соответствующей тРНК.
Терминация. После завершения синтеза цепи, о чем сигнализирует т.н. стоп-кодон иРНК (УАА, УАГ, УГА). При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК, а рибосома распадается на две субчастицы.
Синтез пептида происходит не одной рибосомой, а несколькими тысячами, которые образуют комплекс — полисому.
Сворачивание и процессинг. Чтобы принять обычную форму, белок должен свернуться, образуя при этом определенную пространственную конфигурацию. До или после сворачивания полипептид может претерпевать процессинг, осуществляющийся ферментами и заключающийся в удалении лишних аминокислот, присоединении фосфатных, метальных и других групп и т. п.