Роль рибосом в биосинтезе белка

Содержание

1. 1. Рибосомы: открытие и роль в клетке3
2. 2. Молекулярная архитектура рибосомы5
3. 3. Этапы трансляции: инициация, элонгация, терминация7
4. 4. Регуляция трансляции и значение рибосом9
5. Список литературы11

1. Рибосомы: открытие и роль в клетке

Рибосомы, это внутриклеточные структуры, в которых собираются белковые молекулы. Их открытие стало возможным благодаря техническому прорыву в биологии середины XX века. В 1955 году румынско-американский цитолог Джордж Паладе, работавший в Рокфеллеровском институте, впервые увидел эти гранулы с помощью электронного микроскопа. До этого момента учёные знали о существовании неких мелких частиц, связанных с синтезом белка, но не могли их визуализировать. Паладе обнаружил плотные тёмные включения в цитоплазме клеток поджелудочной железы, которые он первоначально назвал «мелкими гранулами Паладе». Последующие биохимические исследования подтвердили, что именно эти частицы являются фабриками белка. За эту работу в 1974 году Паладе получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, разделив её с Альбертом Клодом и Кристианом де Дювом.

Удивительное свойство рибосом, их универсальность. Они обнаружены в каждой живой клетке на Земле: от архей, обитающих в кипящих источниках, до нейронов человеческого мозга. Даже митохондрии и хлоропласты, которые считаются полуавтономными органеллами, содержат собственные рибосомы, напоминающие бактериальные. Это сходство служит одним из главных доказательств эндосимбиотической теории происхождения эукариотической клетки. Факт повсеместного присутствия рибосом говорит об их эволюционной древности: механизм синтеза белка сложился на самых ранних этапах возникновения жизни и практически не изменился за миллиарды лет. По сути, рибосома, это молекулярная машина, которая связывает мир нуклеиновых кислот с миром белков.

Основная задача рибосомы, трансляция. Этот термин обозначает процесс, при котором информация, записанная в последовательности нуклеотидов матричной РНК (мРНК), переводится на язык аминокислот. Рибосома движется вдоль молекулы мРНК, считывает её кодоны и соединяет соответствующие

аминокислоты в растущую полипептидную цепь. Каждая клетка содержит тысячи таких структур. Например, в одной бактериальной клетке Escherichia coli может находиться около 20 тысяч рибосом, что составляет примерно четверть её сухой массы. В активно синтезирующих белок клетках млекопитающих их число достигает нескольких миллионов. Скорость работы впечатляет: бактериальная рибосома способна присоединять до 20 аминокислот в секунду.

Локализация рибосом в клетке не случайна. Часть из них свободно плавает в цитоплазме, часть прикрепляется к мембранам шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Свободные рибосомы обычно производят белки, которые остаются в цитозоле: ферменты гликолиза, компоненты цитоскелета. Рибосомы, связанные с мембраной ЭПР, синтезируют секреторные белки, белки плазматической мембраны и ферменты лизосом. Вопрос о том, какая рибосома попадёт на мембрану, решается ещё на ранней стадии трансляции: если синтезируемый белок содержит сигнальную последовательность на N-конце, рибосома направляется к ЭПР. Такой механизм сортировки был детально описан Гюнтером Блобелем, получившим за это Нобелевскую премию в 1999 году.

Таким образом, рибосомы являются центральным звеном реализации генетической информации. Гены хранят инструкции, но именно рибосомы превращают эти инструкции в работающие молекулы. Без них невозможно существование ни одной живой системы, и именно их работа обеспечивает клеточный метаболизм всеми необходимыми ферментами и структурными белками.

2. Молекулярная архитектура рибосомы

Рибосома представляет собой не случайное скопление молекул, а высокоорганизованную молекулярную машину. Вся её архитектура подчинена одной задаче: точно и быстро считать генетическую информацию с мРНК и превратить её в последовательность аминокислот. Функциональное ядро этой машины образуют две неравные части, малая и большая субъединицы. В свободном состоянии они существуют раздельно. В момент начала трансляции малая субъединица первой связывается с матричной РНК, и только после этого к ней присоединяется большая. Лишь в собранном виде комплекс способен катализировать образование пептидных связей.

Химическая природа субъединиц уникальна по своему составу. В них входят два типа биополимеров: рибосомальные РНК (рРНК) и рибосомальные белки. Однако их роли далеко не равнозначны. Структурный каркас образует именно рРНК, задавая общую форму и пространственное расположение всех компонентов. Более того, каталитическая функция сборки белка также принадлежит рРНК, а не белкам. Рибосома, по сути, является рибозимом, то есть ферментом, чей активный центр построен из РНК. Белки выполняют преимущественно стабилизирующую и регуляторную функции, помогая субъединицам сохранять конформацию и взаимодействовать с другими факторами трансляции.

Размеры и молекулярная масса рибосом зависят от того, к какому организму они принадлежат. У прокариот, например у Escherichia coli, коэффициент седиментации рибосом составляет 70S. Этот показатель отражает скорость оседания частицы в центрифуге, которая зависит от её массы и формы. Прокариотическая рибосома диссоциирует на большую субъединицу 50S и малую 30S. Эукариотические клетки несут более крупные рибосомы с коэффициентом 80S, и их субъединицы тоже крупнее (60S и 40S). Разница в размерах объясняется появлением у эукариот дополнительных рРНК-сегментов и большего числа рибосомальных

белков, что усложняет регуляцию синтеза.

Эти структурные различия имеют и прямое практическое значение. Многие антибиотики, такие как тетрациклин или эритромицин, избирательно связываются с рибосомами бактерий и блокируют трансляцию, не затрагивая эукариотические рибосомы хозяина. Эффективность препаратов основана на том, что сайты связывания в 70S-рибосомах либо отсутствуют, либо существенно отличаются по конформации в 80S-рибосомах. Бактериальная клетка становится уязвимой, а клетки человека остаются невредимыми. Именно тонкие различия в молекулярной архитектуре, прежде всего в структуре рРНК, легли в основу разработки целого класса лекарственных средств.

3. Этапы трансляции: инициация, элонгация, терминация

Сборка полипептидной цепи проходит в три последовательных этапа, и каждый из них требует точной координации множества молекулярных компонентов. Трансляция начинается с инициации: малая субъединица рибосомы в комплексе с факторами инициации (у прокариот это IF1, IF2, IF3) отыскивает на мРНК стартовый кодон AUG. Этому поиску предшествует связывание мРНК с малой субъединицей. У бактерий оно обеспечивается последовательностью Шайна-Дальгарно, комплементарной 16S рРНК. Одновременно к комплексу присоединяется инициирующая тРНК. У прокариот она несёт формилметионин, у эукариот метионин. Гидролиз ГТФ, связанного с IF2, служит сигналом к отщеплению факторов инициации и присоединению большой субъединицы. Только после этого образуется полноценная 70S (или 80S) рибосома, готовая к синтезу белка.

Во время элонгации рибосома передвигается по мРНК триплет за триплетом и наращивает пептидную цепь. Каждый цикл начинается с того, что новая аминоацил-тРНК поступает в A-сайт. Правильность выбора проверяется комплементарностью кодона мРНК и антикодона тРНК. Доставку тРНК обеспечивает фактор элонгации EF-Tu, гидролизующий ГТФ; он же отвечает за точность распознавания. Затем рибосома катализирует образование пептидной связи между карбоксильной группой растущей цепи в P-сайте и аминогруппой новой аминокислоты в A-сайте. Эта реакция идёт в пептидилтрансферазном центре. Работы Гарри Ноллера и Ады Йонат показали, что этот центр образован исключительно рРНК. Далее происходит транслокация: рибосома сдвигается на один кодон, а фактор EF-G, используя энергию гидролиза ГТФ, перемещает пептидил-тРНК из A-сайта в P-сайт. Освободившаяся тРНК уходит из E-сайта. У бактерий скорость элонгации достигает примерно 15-20 аминокислот в секунду, при этом каждый шаг обходится клетке в две молекулы ГТФ.

Терминация наступает, когда в A-сайте рибосомы оказывается один из трёх стоп-кодонов: UAA, UAG или UGA. Для таких кодонов не существует тРНК, поэтому их распознают белковые факторы терминации. У прокариот это RF1 и RF2: RF1 узнаёт UAA и UAG, тогда как RF2 связывается с UAA и UGA. Попадание стоп-кодона в A-сайт запускает конформационные изменения: фактор RF3 гидролизует ГТФ и стимулирует диссоциацию RF1 или RF2. Ключевое событие терминации, гидролиз эфирной связи между пептидом и тРНК в P-сайте, осуществляет тот же пептидилтрансферазный центр рибосомы. Высвободившийся полипептид покидает рибосому через туннель в большой субъединице, после чего комплекс распадается на субъединицы, готовые к новому циклу трансляции. У эукариот терминацию обеспечивают два фактора: eRF1 распознаёт все три стоп-кодона, а eRF3 обладает ГТФазной активностью.

Весь процесс трансляции требует существенных энергетических затрат. На каждую присоединённую аминокислоту расходуется минимум четыре высокоэнергетические связи. Две из них тратятся при образовании аминоацил-тРНК (АТФ превращается в АМФ, что эквивалентно двум молекулам АТФ), и ещё две уходят в ходе элонгации (по одной молекуле ГТФ для EF-Tu и EF-G). Инициация и терминация тоже сопровождаются гидролизом ГТФ. Спирин в своих работах указывал, что рибосома действует как молекулярная машина, преобразующая химическую энергию в механическую работу по перемещению тРНК и мРНК. Такая высокая цена обеспечивает точность считывания: ошибка возникает лишь в одном случае на несколько тысяч присоединённых аминокислот. Согласованная работа факторов инициации, элонгации и терминации превращает рибосому в надёжный конвейер, безостановочно производящий белки, необходимые для жизнедеятельности клетки.

4. Регуляция трансляции и значение рибосом

Трансляция не является неизменным конвейером. Клетка регулирует скорость синтеза белка, и главный контрольный пункт находится на стадии инициации. Решающую роль здесь играет фактор инициации eIF2, который доставляет на рибосому первую аминокислоту, метионин, в комплексе с инициирующей тРНК. Когда клетка испытывает стресс, например, при вирусной инфекции или нехватке аминокислот, специфические киназы фосфорилируют eIF2. Это превращает его в ингибитор: фосфорилированный eIF2 прочно связывает фактор обмена гуаниновых нуклеотидов eIF2B, не давая ему recycle eIF2 в активную форму. В результате образование нового инициаторного комплекса блокируется, и общий уровень трансляции резко падает. Это быстрый и эффективный способ сэкономить ресурсы и переключить клетку на синтез белков стрессового ответа, таких как шапероны.

Однако регуляция не ограничивается только включением и выключением. Рибосома активно участвует в судьбе новорожденного полипептида. Синтез белка и его сворачивание в нативную структуру происходят одновременно. Пептид emerging из рибосомного туннеля начинает складываться ещё до завершения трансляции, и этот процесс называется котрансляционным сворачиванием. К рибосоме при этом прикрепляются молекулярные шапероны, например, белки семейства Hsp70, которые защищают гидрофобные участки растущей цепи от агрегации и помогают ей принять правильную конформацию. Если синтезируемый белок предназначен для секреции или встраивания в мембрану, рибосома направляется к эндоплазматическому ретикулуму. Сигнальная последовательность на N-конце белка узнаётся сигнал-распознающей частицей (SRP), которая останавливает трансляцию и доставляет весь комплекс к транслокону в мембране ЭПР. Так рибосома обеспечивает не только синтез, но и адресную доставку белка.

Сбои в этой отлаженной системе приводят к тяжелым последствиям. Мутации в генах, кодирующих рибосомальные белки или факторы сборки рибосом, вызывают группу заболеваний, известных как рибосомопатии. Наиболее изученная из них, анемия Даймонда-Блекфена, проявляется в нарушении созревания эритроцитов, поскольку клетки-предшественники крайне чувствительны к дефициту рибосом. Другой пример, синдром Швахмана-Даймонда, поражает поджелудочную железу и костный мозг. Интересно, что при рибосомопатиях часто наблюдается повышенный риск развития рака. Связь здесь прямая: нарушение трансляции вызывает так называемый рибосомальный стресс, при котором свободные рибосомальные белки, такие как RPL5 и RPL11, связываются с онкосупрессором p53 и стабилизируют его. Это приводит к остановке клеточного цикла или апоптозу. Однако в раковых клетках этот защитный механизм часто сломан, и повышенная активность рибосом, наоборот, поддерживает быстрый рост опухоли, обеспечивая её пластичность и адаптацию.

Наконец, именно различия в строении рибосом прокариот и эукариот лежат в основе действия многих антибиотиков. Тетрациклин связывается с малой субъединицей бактериальной рибосомы и блокирует присоединение тРНК. Эритромицин, в свою очередь, связывается в туннеле большой субъединицы и физически препятствует прохождению растущей полипептидной цепи. Хлорамфеникол ингибирует пептидилтрансферазную активность. Эти препараты обладают высокой избирательностью: они связываются с рибосомами бактерий, но не затрагивают 80S рибосомы человека. Это делает их незаменимыми в клинической практике, а сама рибосома остается одной из самых востребованных мишеней для разработки новых антибактериальных средств. Таким образом, рибосома, это не просто молекулярная машина для синтеза белка, а центральный элемент регуляции клеточного метаболизма, нарушение работы которого имеет прямые клинические последствия, а её уникальные свойства используются в медицине.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка — https://www.chem.msu.ru/rus/books/spirin/part1.pdf

2. Молекулярная биология: Рибосомный синтез белка — https://www.chem.msu.ru/rus/books/spirin/part3.pdf

3. Биологический синтез белка — http://elibrary.krc.karelia.ru/397/1/biosintez_belka.pdf

4. Этапы биосинтеза белка — https://studfile.net/preview/5857530/page:36/

5. Биосинтез белка рибосомами бактерий — https://studfile.net/preview/5857530/page:35/

6. Как работает рибосома — https://hepd.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line%203-4%202014/n6.htm

7. Исследование рибосомы методами структурной биологии — https://www.fbras.ru/wp-content/uploads/2017/10/Makarov_et_al-2016.pdf

8. Роль рибосом в биосинтезе белка — https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%BB%D1%8C_%D1%80%D0%B8%D0%B1%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%BC_%D0%B2_%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B5_%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B0