Рибосома

Рибосома — это немембранный органоид живой клетки, осуществляющий биосинтез белка (трансляцию). Рибосомы представляют собой сложные рибонуклеопротеиновые комплексы, состоящие из рибосомной РНК (рРНК) и рибосомных белков. Они являются ключевым элементом аппарата трансляции, обеспечивая считывание генетической информации с матричной РНК (мРНК) и сборку полипептидной цепи из аминокислот, доставляемых транспортными РНК (тРНК). Рибосомы присутствуют во всех без исключения живых клетках — прокариотических (бактерии и археи) и эукариотических (растения, животные, грибы, протисты), а также в полуавтономных органеллах — митохондриях и хлоропластах.

История открытия и изучения

Первые наблюдения рибосом стали возможны после изобретения электронного микроскопа. В 1953 году американский биолог Джордж Паладе, изучая клетки поджелудочной железы, обнаружил мелкие плотные гранулы, связанные с мембранами эндоплазматической сети. В 1955 году он опубликовал их описание, назвав «частицами Паладе». Позднее, в 1958 году, на конференции в Вене было предложено современное название — «рибосома» (от «рибонуклеиновая кислота» и греч. «сома» — тело).

Ключевой вклад в понимание структуры и функции рибосом внесли работы британского биохимика Джеймса Уотсона (соавтора модели ДНК), а также французских учёных Франсуа Жакоба и Жака Моно, сформулировавших концепцию оперона. В 1960-х годах была установлена роль рибосом в процессе трансляции. В 2000 году американские учёные Томас Стейц, Венки Рамакришнан и Ада Йонат (лауреаты Нобелевской премии по химии 2009 года) впервые расшифровали атомную структуру рибосомы бактерий и архей с помощью рентгеновской кристаллографии.

Строение и состав

Химический состав

Рибосома состоит из двух неравных субъединиц — большой и малой. Каждая субъединица представляет собой комплекс рибосомных РНК (рРНК) и белков. Соотношение рРНК и белков различается у разных организмов:

• У прокариот (бактерии, археи) рРНК составляет около 60–65% массы рибосомы, белки — 35–40%.
• У эукариот доля рРНК несколько ниже (50–55%), а белков — выше (45–50%).

Субъединицы

В зависимости от типа клеток рибосомы имеют разный коэффициент седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге, измеряемая в единицах Сведберга, S):

• Прокариотическая рибосома (70S):
• Малая субъединица (30S) — содержит 16S рРНК и около 20 белков.
• Большая субъединица (50S) — содержит 23S рРНК, 5S рРНК и около 30–35 белков.
• Эукариотическая цитоплазматическая рибосома (80S):
• Малая субъединица (40S) — содержит 18S рРНК и около 30–35 белков.
• Большая субъединица (60S) — содержит 28S рРНК, 5,8S рРНК, 5S рРНК и около 45–50 белков.

Функциональные центры

В процессе работы рибосомы формируются три ключевых участка для связывания тРНК:

• A-сайт (аминоацильный) — место посадки аминоацил-тРНК, несущей новую аминокислоту.
• P-сайт (пептидильный) — место удержания растущей полипептидной цепи, связанной с тРНК.
• E-сайт (выходной, от англ. exit) — место временного связывания деацилированной тРНК перед её выходом из рибосомы.

Процесс трансляции

Биосинтез белка на рибосоме включает три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация

Малая субъединица рибосомы связывается с мРНК в области стартового кодона (обычно AUG, кодирующий метионин). К этому комплексу присоединяется инициаторная тРНК, несущая формилметионин (у прокариот) или метионин (у эукариот). Затем присоединяется большая субъединица, образуя полноценную функциональную рибосому.

Элонгация

Циклический процесс, в ходе которого к растущей полипептидной цепи последовательно добавляются аминокислоты:

1. Кодон-антикодоновое взаимодействие: тРНК с соответствующей аминокислотой входит в A-сайт, её антикодон комплементарен кодону мРНК.
2. Образование пептидной связи: фермент пептидилтрансфераза (входит в состав большой субъединицы) катализирует перенос полипептидной цепи с тРНК в P-сайте на аминокислоту в A-сайте.
3. Транслокация: рибосома сдвигается на один триплет (три нуклеотида) вдоль мРНК. При этом тРНК из A-сайта перемещается в P-сайт, а из P-сайта — в E-сайт, откуда покидает рибосому.

Терминация

При достижении стоп-кодона (UAA, UAG, UGA) в A-сайт входит фактор терминации, который гидролизует связь между полипептидной цепью и тРНК в P-сайте. Готовая белковая молекула высвобождается, а рибосома диссоциирует на субъединицы.

Классификация рибосом

По локализации

• Цитоплазматические рибосомы — свободно плавают в цитоплазме или прикреплены к мембранам эндоплазматической сети (шероховатая ЭПС). Свободные рибосомы синтезируют белки для внутренних нужд клетки (цитозольные, ядерные, митохондриальные); связанные — белки на экспорт, мембранные и лизосомальные.
• Митохондриальные рибосомы (миторибосомы) — находятся в матриксе митохондрий, по строению напоминают прокариотические (70S), но имеют меньший размер и специфический набор рРНК.
• Хлоропластные рибосомы — локализованы в строме хлоропластов, также относятся к типу 70S.

По типу клетки

• Прокариотические (70S) — у бактерий и архей.
• Эукариотические (80S) — в цитоплазме клеток эукариот.

Полисомы

В клетках рибосомы часто работают не поодиночке, а группами. Одна молекула мРНК может одновременно транслироваться несколькими рибосомами, которые движутся по ней последовательно. Такой комплекс называется полисомой (полирибосомой). Полисомы позволяют клетке быстро синтезировать множество копий одного и того же белка. Длина полисомы зависит от длины мРНК и может включать от нескольких до десятков рибосом.

Рибосомы и антибиотики

Рибосомы прокариот (70S) являются мишенью для многих антибиотиков, которые избирательно подавляют трансляцию у бактерий, не затрагивая эукариотические рибосомы (80S). Примеры:

• Тетрациклины — блокируют связывание аминоацил-тРНК с A-сайтом.
• Аминогликозиды (стрептомицин, гентамицин) — вызывают ошибки считывания кодонов.
• Макролиды (эритромицин) — ингибируют транслокацию.
• Хлорамфеникол (левомицетин) — подавляет активность пептидилтрансферазы.
• Линезолид — препятствует образованию инициаторного комплекса.

Интересные факты

• В клетке кишечной палочки (Escherichia coli) содержится около 15–20 тысяч рибосом, что составляет до 25% сухой массы клетки.
• В активно делящейся клетке млекопитающего число рибосом может достигать 10 миллионов.
• Первая полная трёхмерная структура рибосомы была получена в 2000 году для бактерии Thermus thermophilus.
• Рибосомы митохондрий человека (55S) отличаются по составу от цитоплазматических и прокариотических: они содержат меньше рРНК и больше белков.
• Некоторые вирусы (например, ретровирусы) используют рибосомы клетки-хозяина для синтеза собственных белков.

Источники

• Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — М.: Лаборатория знаний, 2015.
• Льюин Б. Гены. — М.: Бином, 2012.
• Спирин А. С. Рибосомы и биосинтез белка. — М.: Наука, 1986.
• Nissen P. et al. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis // Science. — 2000. — Vol. 289, № 5481.
• Ramakrishnan V. Ribosome structure and the mechanism of translation // Cell. — 2002. — Vol. 108, № 4.