Рибосома — структура и функции¶

Рибосома — это немембранная органелла, молекулярная машина, осуществляющая биосинтез белка (трансляцию) на матрице иРНК. Рибосомы присутствуют практически во всех живых клетках — от бактерий до эукариот, — что указывает на их древнее происхождение. Средний размер рибосомы составляет около 20–30 нанометров, что делает их невидимыми в обычный световой микроскоп. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц разного размера, собранных из рибосомальной РНК (рРНК) и десятков белков.

¶Строение

Рибосома состоит из большой и малой субъединиц, которые объединяются только в процессе трансляции. В основе каждой субъединицы лежит рРНК, которая выполняет каталитическую функцию, а белки стабилизируют структуру и участвуют в связывании факторов трансляции.

¶Классификация по седиментации

Рибосомы классифицируют по коэффициенту седиментации в единицах Сведберга (S), отражающему скорость осаждения в центрифуге:

Сумма коэффициентов седиментации субъединиц не равна значению для целой рибосомы, поскольку коэффициент зависит не только от массы, но и от формы частицы.

¶Каталитическое ядро

Ключевое открытие в изучении рибосом — установление того, что пептидилтрансферазная активность (реакция образования пептидной связи) осуществляется рРНК, а не белком. За это открытие в 2009 году Нобелевскую премию по химии получили Венкатраман Рамакришнан, Томас Стайц и Ада Йонат. Рибосома, таким образом, является рибозимом — каталитической РНК.

¶Механизм трансляции

Трансляция протекает в три этапа: инициация, элонгация и терминация.

¶Инициация

В бактериях малая субъединица (30S) связывается с мРНК в области Shine — Dalgarno, комплементарной 3'-концу 16S рРНК. Затем инициационный фактор IF2 доставляет метионин-тРНК (формилметионин-тРНК), после чего присоединяется большая субъединица (50S) с образованием 70S-комплекса. В эукариотах процесс сложнее: малая субъединица (40S) с факторами инициации сканирует мРНК от 5'-конца в поисках стартового кодона AUG в контексте Kozak.

¶Элонгация

Рибосома имеет три тРНК-связывающих сайта: A (аминокислотный), P (пептидиловый) и E (выходной). Аминокислотная тРНК входит в A-сайт, пептидная цепь переносится с P-сайта на аминокислоту в A-сайте, после чего рибосома сдвигается на один кодон вдоль мРНК (транслокация) с участием фактора EF-G. Цикл повторяется, и белок растёт со скоростью около 15–20 аминокислот в секунду у бактерий и 5–6 — у эукариот.

¶Терминация

При достижении стоп-кодона (UAA, UAG или UGA) в A-сайт вступают факторы терминации (RF1/RF2 в бактериях, eRF1 в эукариотах), которые активируют гидролиз пептидной связи и высвобождают готовый белок. Рибосома диссоциирует на субъединицы под действием фактора RF3 или ABCE1.

¶Полисомы

Несколько рибосом, транслирующих одну мРНК одновременно, образуют полисому (полирибосому). Такая организация повышает эффективность: одна мРНК служит матрицей для множества молекул белка. Полисомы обнаруживаются как в прокариотических, так и в эукариотических клетках.

¶Рибосомы эукариот и их диссоциация

В эукариотических клетках рибосомы находятся в двух состояниях: свободные (в цитоплазме) и связанные с шероховатым эндоплазматическим ретикулумом. Свободные рибосомы синтезируют белки для внутреннего использования клетки, а связанные — секретируемые белки и мембранные компоненты. Сигнальная гипотеза (Вальтер Блобель, Нобелевская премия 1999 года) объясняет, как сигнальная последовательность направляет рибосому к мембране ЭПР.

¶Рибосомы и медицина

Рибосомы прокариот существенно отличаются от эукариотических, что позволяет использовать это различие в антибактериальной терапии. Многие антибиотики блокируют работу бактериальных рибосом, не затрагивая эукариотические:

• Тетрациклины — блокируют A-сайт малой субъединицы.
• Макролиды (эритромицин) — блокируют туннель выхода пептидной цепи.
• Аминогликозиды (стрептомицин) — вызывают ошибки при чтении мРНК.
• Хлорамфеникол — ингибирует пептидилтрансферазный центр.
• Фузидиевая кислота — блокирует транслокацию.

Мутации в рРНК или белках рибосомы могут приводить к антибиотикорезистентности патогенных бактерий, что является серьёзной проблемой клинической медицины.

¶Рибосомопатии

Нарушения биогенеза рибосом у человека лежат в основе группы наследственных заболеваний — рибосомопатий. К ним относят:

• Анемию Даймонда — Блэкфана — дефицит рибосомных белков, приводящий к аплазии эритроидного ростка.
• Синдром Тричера — Коллинза — мутации в факторах инициации трансляции.
• Синдром Тей — Сакса (некоторые формы) — нарушения биогенеза малой субъединицы.

Эти заболевания демонстрируют связь между функцией рибосом и развитием тканей, особенно активно делящихся.

¶Эволюция

Рибосомы считаются одним из самых древних молекулярных комплексов. Гипотеза «мира РНК» предполагает, что рибосома возникла как простой рибозим, способный катализировать образование пептидных связей, и лишь позже была окружена белками. Сравнительный анализ рРНК разных организмов показывает, что каталитическое ядро рибосомы консервативно у всех живых существ, что подтверждает их общий предковый источник.

¶История

Рибосомы были открыты в 1955 году Ричардом Робертсом и Джорджем Паладе, который наблюдал их в электронных микрографах и назвал «микросомами». Термин «рибосома» ввёл Ричард Б. Робертс в 1958 году. В 1974 году Паладе получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытие рибосом и их роли в белковом синтезе.

¶Источники

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки».
• Войцеховский С. «Молекулярная биология».
• Нельсон Д., Кокс М. «Принципы биохимии Ленингера».
• «Биохимия» под редакцией С. А. Венигер.
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell.
• Ramakrishnan V. Ribosome structure and the mechanism of translation. Cell, 2002.