Рибосомы сообщение по биологии. Секреты жизни в рибосомах бактерий. Смотреть что такое "Рибосомы" в других словарях
Органеллы клетки, состоящие из белков и РНК и отвечающие за синтез белков, называются рибосомами. Количество рибосом в одной клетке сильно варьирует в зависимости от потребностей и может достигать нескольких миллионов.
Строение
Важнейшей органеллой клетки является ядро. Оно содержит генетическую информацию и ядрышко, где образуются рибосомы. Синтезированные рибосомы через поры ядерной мембраны попадают либо на эндоплазматическую сеть, либо в цитоплазму. В зависимости от расположения в эукариотической клетке выделяют два вида рибосом:
- связанные - располагаются на эндоплазматической сети (шероховатый вид);
- свободные - располагаются в цитозоле.
Гладкая ЭПС образуется после освобождения от рибосом. В растительных клетках гладкая ЭПС формирует провакуоли, из которых затем образуются вакуоли.
Рис. 1. Расположение рибосом в клетке.
Рибосомы - немембранные органеллы, имеющие округлую форму и состоящие из двух частей - субъединиц (большой и малой), каждая из которых представляет собой смесь рибосомальной РНК (рРНК) и белков. С химической точки зрения рибосома - нуклеопротеид, состоящий из нуклеиновых кислот и протеинов.
Рис. 2. Строение рибосом.
Связанные и свободные рибосомы называются цитоплазматическими рибосомами. Также существуют собственные рибосомы митохондрий и пластид. Они отличаются меньшим количеством белков и рРНК.
Различают четыре разновидности молекул РНК рибосомы:
ТОП-3 статьи которые читают вместе с этой
- 18S-РНК - содержит 1900 нуклеотидов;
- 5S-РНК - содержит 120 нуклеотидов;
- 5,8S-РНК - состоит из 160 нуклеотидов;
- 28S-РНК - состоит из 4800 нуклеотидов.
Малая частица рибосомы образована 30-35 белками и 18S-РНК. В большую субчастицу входит 45-50 белков и 5S-, 5,8S-, 28S-РНК.
В нерабочем состоянии части рибосом разъединены. Они соединяются с помощью информационной (матричной) РНК, обхватывая её с двух сторон. При синтезе белка рибосомы объединяются, образуя комплексы - полисомы или полирибосомы, связанные мРНК и напоминающие бусины на нитке.
Рибосомы прокариот меньше, чем эукариот. Диаметр рибосом клетки человека, животных, растений и грибов - 25-30 нм, бактерий - 15-20 нм.
Синтез белка
Главная функция рРНК - синтез белка и аминокислот.
Биосинтез белков включает два процесса:
- транскрипцию;
- трансляцию.
Транскрипция происходит с участием ДНК. Генетическую информацию считывает фермент РНК-полимераза, образуя мРНК. Далее начинается процесс трансляции, происходящий на рибосомах.
Этот процесс разделяется на три этапа:
- инициацию - начало синтеза;
- элонгацию - биосинтез;
- терминацию - завершение синтеза, отделение рибосомы.
При инициации происходит сборка рибосомы. Контактные части субъединиц называются активными центрами, между которыми располагается :
- мРНК в качестве «шаблона» синтеза;
- тРНК, осуществляющая перенос аминокислот на синтезируемую цепь;
- синтезируемый пептид, состоящий из аминокислот.
В процессе элонгации происходит удлинение полипептидной цепи за счёт присоединения аминокислот. Цепь отсоединяется от рибосомы на стадии терминации благодаря стоп-кодону - единицы генетического кода, шифрующего прекращение синтеза белка.
Рис. 3. Общая схема синтеза белка на рибосоме.
Биосинтез требует энергетических затрат. При присоединении одной аминокислоты расходуется по две молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) и ГТФ (гуанозинтрифосфата). Кроме того, ГТФ тратится на процессы инициации и терминации.
Что мы узнали?
Из урока 9 класса кратко узнали о строении и функции рибосомы. Это важные органоиды клетки, осуществляющие биосинтез белка путём считывания информации с мРНК. Рибосомы образованы двумя частями (большой и малой), каждая из которых состоит из рибонуклеиновой кислоты и белков.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 110.
РИБОСОМА (от «рибонуклеиновая кислота» и греч. «сома» – тело), органоид, синтезирующий белки. Присутствует в клетках всех организмов, как эукариот, так и прокариот. Представляет собой сферическую частицу диаметром ок. 20 нм, состоящую из двух субчастиц, которые могут разъединяться и вновь объединяться. Структурный каркас рибосомы образован молекулами рибосомальной РНК (р-РНК) и связанными с ними белками. В клетках эукариот рибосомы формируются в ядрышке, где на ДНК синтезируется р-РНК, к которой затем присоединяются белки. Субчастицы рибосомы выходят из ядра в цитоплазму, и здесь завершается формирование полноценных рибосом. В цитоплазме рибосомы свободно находятся в цитоплазматическом матриксе (гиалоплазме) или прикрепляются к внешним мембранам ядра и эндоплазматической сети. Свободные рибосомы синтезируют белки для внутренних нужд клетки. Рибосомы на мембранах образуют комплексы – полирибосомы, которые синтезируют белки, поступающие через эндоплазматическую сеть в аппарат Гольджи и затем секретируемые клеткой. Количество рибосом в клетке зависит от интенсивности биосинтеза белка – их больше в клетках активно растущих тканей (меристем растений, зародышей и т. п.). В хлоропластах и митохондриях есть свои собственные мелкие рибосомы, они обеспечивают этим органоидам автономный (независимый от ядра) биосинтез белков (см. Трансляция).
Схема строения рибосомы, сидящей на мембране эндоплазматнческой сети:
1 — малая субъединица;
2 — иРНК;
3 — аминоацил — тРНК;
4 — аминокислота;
5 — большая субъединица;
6 — мембрана эндоплазматической сети;
7 — синтезируемая полипептидная цепь.
Каждая рибосома состоит из двух субчастиц-большой и малой. Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств РНК и белка (т.е. представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы). Входящая в их состав РНК, называемая рибосомной РНК (рРНК), синтезируется в ядрышке. Вместе те и другие образуют сложную трехмерную структуру, обладающую способностью к самосборке.
Во время синтеза белка на рибосомах аминокислоты, из которых строится полипептидная цепь, последовательно одна за другой присоединяются к растущей цепи. Рибосома служит местом связывания для молекул, участвующих в синтезе, т. е. таким местом, где эти молекулы могут занять по отношению друг к другу совершенно определенное положение. В синтезе участвуют: матричная РНК (мРНК), несущая генетические инструкции от ядра клетки, транспортная РНК (тРНК), доставляющая к рибосоме требуемые аминокислоты, растущая полипептидная цепь, а также ряд факторов, ответственные за инициацию, элонгацию и терминацию цепи.
В эукариотических клетках отчетливо видны две популяции рибосом - свободные рибосомы и рибосомы, присоединенные к эндоплазматическому ретикулуму. Строение тех и других идентично, но часть рибосом связана с эндоплазматическим ретикулоумом через белки, которые они синтезируют. Такие белки обычно секретируются. Примером белка, синтезируемого свободными рибосомами, может служить гемоглобин, образующийся в молодых эритроцитах.
В процессе синтеза белка рибосома перемещается вдоль нитевидной молекулы мРНК. Процесс идет более эффективно, когда вдоль мРНК перемещается не одна рибосома, а одновременно много рибосом, напоминающих в этом случае бусины на нитке. Такие цепи рибосом называются полирибосомами или полисомами. На эндоплазматическом ретикулуме полисомы обнаруживаются в виде характерных завитков.
Рибосомный синтез белка-многоэтапный процесс. Первая стадия (инициация) начинается с присоединения матричной РНК (мРНК) к малой рибосомной субчастице, не связанной с большой субчастицей. Характерно, что для начала процесса необходима именно диссоциированная рибосома. К образовавшемуся т. наз. инициаторному комплексу присоединяется большая рибосомная субчастица. В стадии инициации участвуют спец. инициирующий кодон (см. Генетический код), инициаторная транспортная РНК (тРНК) и специфич. белки (т. наз. факторы инициации). Пройдя стадию инициации, рибосома переходит к последоват. считыванию кодонов мРНК по направлению от 5"- к 3"-концу, что сопровождается синтезом полипептидной цепи белка, кодируемого этой мРНК (подробнее о механизме синтеза полипептидов см. в ст. Трансляция). В этом процессе рибосома функционирует как циклически работающая мол. машина. Рабочий цикл рибосомы при элонгации состоит из трех тактов: 1) кодонзависимого связывания аминоацил-тРНК (поставляет аминокислоты в рибосому), 2) транспептидации-переноса С-конца растущего пептида на аминоацил-тРНК, т.е. удлинения строящейся белковой цепи на одно звено, 3) транслокации-перемещения матрицы (мРНК) и пептидил-тРНК относительно рибосомы и переход рибосомы в исходное состояние, когда она может воспринять след. аминоацил-тРНК. Когда рибосома достигнет специального терминирующего кодона мРНК, синтез полипептида прекращается. При участии специфич. белков (т. наз. факторов терминации) синтезир. полипептид освобождается из рибосомы. После терминации рибосома может повторить весь цикл с др. цепью мРНК или др. кодирующей последовательностью той же цепи.
Схема синтеза полипептидной цепи полирибосомой: I-начал о синтеза, II-окончание синтеза; а-мРНК, б-рибосома, в-большая субъединица рибосомы, г-малая субъединица рибосомы.
В клетках с интенсивной секрецией белка и развитым эндоплазматич. ретикулумом значит. часть цитоплазматической рибосомы прикреплена к его мембране на пов-сти, обращенной к цитоплазме. Эти рибосомы синтезируют полипептиды, к-рые непосредственно транспортируются через мембрану для дальнейшей секреции. Синтез полипептидов для внутриклеточных нужд происходит в осн. на свободных (не связанных с мембраной) рибосомах цитоплазмы. При этом транслирующие рибосомы не равномерно диспергированы в цитоплазме, а собраны в группы. Такие агрегаты рибосом представляют собой структуры, где мРНК ассоциирована со многими рибосомами, находящимися в процессе трансляции; эти структуры получили назв. полирибосом или полисом.
При интенсивном синтезе белка расстояние между рибосомами вдоль цепи мРНК в полирибосоме м. б. предельно коротким, т.е. рибосомы находятся почти вплотную друг к другу. Рибосомы, входящие в полирибосомы, работают независимо и каждая из них синтезирует полную полипептидную цепь.
Рибосома – это тот самый рабочий, который претворяет генеральный план в жизнь, изготовляя по лекалам ДНК соответствующие белки.
Биоинженеры разработали гибридные рибосомы, в состав которых вместо двух длинных цепочек рРНК входит единая молекула, обеспечивающая «неделимость» органеллы. Такие рибосомы могут поддерживать синтез всех необходимых для бактериальной клетки белков, хотя инициация трансляции у них происходит намного медленнее, чем у обычных рибосом.
Получившимися гибридными рибосомами Ribo-T (от англ. tethered - связанный) (рис. 1) ученые снабдили штаммы бактерий, не нарабатывающие обычных рибосом. Оказалось, что гибриды вполне способны поддерживать жизнь бактерий и синтезировать все необходимые для них белки. Правда, скорость роста бактерий, несущих лишь гибридные рибосомы, была в два раза меньше, чем у бактерий с обычными рибосомами. И даже такой скорости удалось добиться только клеткам с мутацией в гене одного из рибосомных белков и нарушенным синтезом предполагаемого транспортера ионов магния и кобальта. Как и скорость роста, скорость синтеза белков у бактерий, несущих гибридные рибосомы, оказалась в два раза меньше нормальной.
Ученые решили выяснить, почему гибридные рибосомы медленнее синтезируют белок. Оказалось, что рибосомы со скрепленными субъединицами тормозят сразу после распознавания стартового кодона. То есть основная проблема для них - правильная инициация трансляции . Ученые выяснили, что эта проблема не связана с худшим взаимодействием гибридных рибосом с факторами инициации, так как их добавление не компенсировало стартовое торможение. Так что новый вариант рибосом еще предстоит подробнее исследовать и усовершенствовать.
Гибридные рибосомы хоть и не очень быстро, но делали свое дело, так что ученые решили испытать их пригодность к работе в качестве независимой популяции рибосом. Во-первых, рибосомы отдельной популяции можно задействовать для чтения мРНК с необычными стартовыми сигналами. Для этого получили гибридные рибосомы с модифицированным участком, узнающим последовательность Шайна-Дальгарно - стартовую точку посадки бактериальных рибосом на РНК. РНК с измененной последовательностью Шайна-Дальгарно обычные клеточные рибосомы не распознавали, однако ее продукт обнаруживался в цитоплазме клеток, несущих особым образом модифицированные гибридные рибосомы. Значит, синтезом белка на такой матрице занимались только гибридные рибосомы, и трансляцию РНК со специфическими сигналами можно будет исследовать, не влияя на трансляцию остальных мРНК клетки.
Еще ученые получили модификацию гибридных рибосом, зависимую от антибиотика. Такие рибосомы будут работать, если добавить в среду антибиотик, блокирующий обычные рибосомы клетки. Антибиотик в такой системе служит переключателем, определяющим, какой набор рибосом будет активным. Так что клетки можно будет поддерживать либо в природном режиме жизни, либо в условиях, когда всю наработку белка берут на себя синтетические рибосомы. Манипулируя свойствами отдельной популяции рибосом, можно будет узнать о процессе синтеза белка гораздо больше.
Литература
- Рибосома за работой ;
- Как избавиться от РНК за несколько минут ;
- Orelle C., Carlson E.D., Szal T., Florin T., Jewett M.C., Mankin A.S. (2015). . Nature . 524 , 119–124;
- Io S.B. and Gy L.O. (2015). Synthetic biology: Ribosomal ties that bind . Nature . 524 , 45–46..
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 .
Схема синтеза рибосом в клетках эукариот .
1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S - предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.
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.
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.
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.
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 ассоциации, fMET-тРНК находится в P- (peptidyl-) сайте каталитического(пептидил-трансферазного) центра рибосомы. Следующая тРНК, несущая на 3"-конце аминокислоту и комплементарная второму кодону на мРНК , помещается с помощью фактора EF-Tu в А- (aminoacyl-) сайт каталитического центра рибосомы. Затем, образуется пептидная связь между формилметионином (связанным с тРНК, находящейся в Р-сайте) и аминокислотой, принесенной тРНК, находящейся в А-сайте. Механизм катализа образования пептидной связи в пептидил-трансферазном центре до сих пор полностью не ясен. На данный момент 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 ;. Высокая эффективность катализа достигается взаимодействием этих факторов.
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.
Примечания
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.)
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.