Впервые рибосомы были обнаружены в животной клетке в 1955 году. В этом же году были получены данные, что они выполняют важные функции в обмене веществ - являются центрами биосинтеза белка. Рибосомы способствуют реализации наследственной информации клетки и обеспечивают уникальность каждого вида организмов за счёт образования специфичных для него белков.

Локализация

Рибосомы присутствуют во всех типах клеток. Они образуются в ядре, затем выходят из него и размещаются в:

• цитоплазме;
• митохондриях;
• пластидах;
• на мембранах эндоплазматической сети (ЭПС).

Рис. 1. Рибосомы на мембранах шероховатой ЭПС.

Строение

Рибосома имеет размеры около 25 - 30 нм и состоит из двух неравных частиц, называемых большой и малой субъединицами.

Рис. 2. Строение рибосомы.

Каждая субъединица в процессе синтеза белка выполняет свою функцию. По химическому составу рибосомы являются комплексом белков и РНК, причём именно РНК определяет их свойства.

Синтез белка

Процесс биосинтеза белка чрезвычайно сложен и энергоёмок.
В нём участвуют:

• регуляторные белки;
• белки-катализаторы;
• АТФ и ГТФ, как источники энергии;
• молекулы транспортной и информационной РНК;
• ионы магния.

Рибосомы являются центрами и организаторами белоксинтезирующей системы, которая способна работать также и вне клетки.

Транскрипция

Информация о строении белка находится в гене.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

В процессе транскрипции в ядре клетки образуется копия гена в виде информационной РНК (и-РНК). Информацией в данном случае является определённая последовательность нуклеотидов, - составных частей и-РНК.

Последовательность нуклеотидов и-РНК кодирует нуклеотидную последовательность ДНК (ген является участком ДНК).

Трансляция

После того, как и-РНК выходит из ядра в цитоплазму, к ней присоединяется рибосома, тем самым инициируя сборку белоксинтезирующей системы.

Затем начинается процесс трансляции - синтеза белковой молекулы из аминокислот, которые доставляются к рибосоме транспортными РНК (т-РНК).

Рис. 3. Схема биосинтеза белка на рибосоме.

После присоединения каждой новой аминокислоты субъединицы рибосомы перемещаются по цепочке и-РНК на один кодон. Кодон - это три нуклеотида, кодирующие определённую аминокислоту.

Всего информация о составе белка переписывается дважды, сначала с ДНК на и-РНК, потом с и-РНК на сам белок. Информация в белке это последовательность аминокислот, а в ДНК и и-РНК - последовательность нуклеотидов.

В процессе биосинтеза белка осуществляются следующие функции рибосом:

• связка и удержание компонентов белоксинтезирующей системы;
• катализ реакций, ведущих к образованию пептидных связей;
• катализ гидролиза ГТФ;
• механическое перемещение по цепочке и-РНК.

Различия в строении и выполняемых функциях рибосомных субъединиц представлены в таблице.

Функция перемещения рибосомы по и-РНК осуществляется совместно двумя субъединицами.

Что мы узнали?

Мы выяснили какую функцию выполняют в клетке рибосомы. Они являются основной частью белоксинтезирующей системы. На рибосомах происходит сборка белковых молекул. Белки, входящие в состав самих рибосом, регулируют и катализируют процессы белкового синтеза.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 96.

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

1. Рибосома за работой ;
2. Как избавиться от РНК за несколько минут ;
3. Orelle C., Carlson E.D., Szal T., Florin T., Jewett M.C., Mankin A.S. (2015). . Nature . 524 , 119–124;
4. Io S.B. and Gy L.O. (2015). Synthetic biology: Ribosomal ties that bind . Nature . 524 , 45–46..

Как же выглядит данная органелла? Она похожа на телефон с трубкой. (Рис. 6) Рибосома эукариот и прокариот состоит из двух частей, одна из которых больше, другая - меньше. Но эти две ее составляющие не соединяются вместе, когда она находится в спокойном состоянии. Это происходит только тогда, когда рибосома клетки непосредственно начинает выполнять свои функции. Рибосома также имеет в своем составе информационную РНК и транспортную РНК. Данные вещества необходимы для того, чтобы записывать на них информацию о нужных клетке белках. Рибосома не имеет собственной мембраны. Ее субъединицы (так называются две ее половины) ничем не защищены.

Рисунок 6. Внешний вид рибосомы.

Большая субчастица, в свою очередь, состоит из:

• · одной молекулы рибосомальной РНК, которая является высокополимерной;
• · одной молекулы РНК, которая является низкополимерной;
• · некоторого количества молекул белка, как правило, их около трех десятков.

Что касается меньшей субчастицы, то тут немного проще. (Рис.7) В ее состав входят:

• · молекула высокополимерной РНК;
• · несколько десятков молекул белка, как правило, около 40 штук (молекулы при этом разнообразные по структуре и форме).

Рисунок 7. Меньшая субчастица рибосомы.

Молекула высокополимерной РНК необходима для того, чтобы все присутствующие белки соединить в одну целостную рибонуклеопротеидную составляющую клетки.

Функции рибосомы

Какие функции выполняет в клетке данный органоид? То, за что отвечает рибосома, - синтез белка. Он происходит на основе информации, которая записана на так называемой матричной РНК (рибонуклеиновой кислоте). Рибосома объединяет свои две субъединицы только на время синтеза белка - процесса под названием трансляция. (Рис.8) Во время данной процедуры синтезируемая полипептидная цепь находится между двумя субъединицами рибосомы.

Рисунок 8. Процесс трансляции.

В процессе выполнения основной своей функции, то есть во время синтеза белка, рибосома выполняет и ряд дополнительных:

• · Связка, а также удержание всех составляющих так называемой белоксинтезирующей системы. Принято называть данную функцию информационной, или матричной. Рибосома функции эти распределяет между двумя своими субчастицами, каждая из которых выполняет свою определенную задачу в данном процессе.
• · Рибосомы выполняют функцию каталитическую, которая заключается в образовании особой пептидной связи (амидная связь, которая возникает как при образовании белков, так и при возникновении пептидов). Сюда же можно отнести и гидролиз ГТФ (субстрата для синтеза РНК). За выполнение этой функции отвечает большая субъединица рибосомы. Именно в ней находятся специальные участки, в которых и происходит процесс синтеза пептидной связи, а также центр необходимый для гидролиза ГТФ. Помимо этого именно большая субъединица рибосомы во время биосинтеза белка удерживает на себе цепь, которая постепенно вырастает.
• · Выполняет рибосома функции механического передвижения субстратов, к коим относятся иРНК и тРНК. Иными словами, они отвечают за транслокацию.

Рисунок 9. Синтез белка.

Каким образом происходит формирование белков? (Рис. 9, 10, 11) Биосинтез белков происходит в несколько этапов. Первый из них - это активация аминокислот. Всего их существует двадцать, при комбинировании их разными методами можно получить миллиарды различных белков. На протяжении данного этапа из аминокислот формируется аминоалиц-т-РНК.

Рисунок 10. Синтез белка (фото).

Данная процедура невозможна без участия АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Также для осуществления этого процесса необходимы катионы магния. Второй этап - это инициация полипептидной цепи, или процесс объединения двух субъединиц рибосомы и поставка к ней необходимых аминокислот. В данном процессе также принимают участие ионы магния и ГТФ (гуанозинтрифосфат). Третий этап называется элонгацией. Это непосредственно синтез полипептидной цепи. Происходит методом трансляции. Терминация - следующий этап - это процесс распада рибосомы на отдельные субъединицы и постепенное прекращение синтеза полипептидной цепочки. Далее идет последний этап - пятый - это процессинг. На этой стадии из простой цепи аминокислот формируются сложные структуры, которые уже и представляют собой готовые белки. В данном процессе участвуют специфические ферменты, а также кофакторы.

Рисунок 11. Синтез белка (схема).

Так как рибосома отвечает за синтез белков, то давайте рассмотрим подробнее их структуру. Она бывает первичной, вторичной, третичной и четвертичной. Первичная структура белка - это определенная последовательность, в которой располагаются аминокислоты, формирующие данное органическое соединение. Вторичная структура белка представляет собой сформированные из полипептидных цепочек альфа-спирали и бета-складки. Третичная структура белка предусматривает определенную комбинацию альфа-спиралей и бета-складок. Четвертичная же структура заключается в формировании единого макромолекулярного образования. (Рис. 12) То есть комбинации альфа-спиралей и бета-структур формируют глобулы либо фибриллы. По этому принципу можно выделить два типа белков - фибриллярные и глобулярные.

К первым относятся такие, как актин и миозин, из которых сформированы мышцы. Примерами вторых могут служить гемоглобин, иммуноглобулин и другие. Фибриллярные белки напоминают собой нить, волокно. Глобулярные больше похожи на клубок сплетенных между собой альфа-спиралей и бета-складок. Что такое денатурация? Каждый наверняка слышал это слово.

Рисунок 12. Четвертичная структура белка.

рибосома клетка белок генетический

Денатурация - это процесс разрушения структуры белка - сначала четвертичной, затем третичной, а после - и вторичной. В некоторых случаях происходит и ликвидация первичной структуры белка. Данный процесс может происходить вследствие воздействия на данное органическое вещество высокой температуры. Так, денатурацию белка можно наблюдать при варке куриных яиц. В большинстве случаев этот процесс необратим. Так, при температуре выше сорока двух градусов начинается денатурация гемоглобина, поэтому сильная гипертермия опасна для жизни. Денатурацию белков до отдельных нуклеиновых кислот можно наблюдать в процессе пищеварения, когда с помощью ферментов организм расщепляет сложные органические соединения на более простые.

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.