За что отвечает рибосомы в растительной клетке

Строение и функции рибосом. Биосинтез белков и значение рибосом для организма

Рибосомы — субмикроскопические немембранные органеллы, необходимые для синтеза белка. Они объединяют аминокислоты в пептидную цепь, образуя новые белковые молекулы. Биосинтез осуществляется по матричной РНК путем трансляции.

Особенности строения

Рибосомы находятся на гранулярном эндоплазматическом ретикулуме или свободно плавают в цитоплазме. Крепятся они к эндоплазматической сети своей большой субъединицей и синтезируют белок, который выводится за пределы клетки, используется всем организмом. Цитоплазменные рибосомы в основном обеспечивают внутренние потребности клетки.

Форма шаровидная или овальная, в диаметре около 20нм.

На этапе трансляции к мРНК может прикрепляться несколько рибосом, образуя новую структуру – полисому. Сами же они образуются в ядрышке, внутри ядра.

Выделяют 2 вида рибосом:

Строение обоих видов идентичное. В состав рибосомы входят две субъединицы — большая и малая, которые в сочетании напоминают гриб. Объединяются они при помощи ионов магния, сохраняя между соприкасающимися поверхностями небольшую щель. При дефиците магния субъединицы отдаляются, происходит дезагрегация и рибосомы уже не могут выполнять свои функции.

Химический состав

Рибосомы состоят из высокополимерной рибосомальной РНК и белка в соотношении 1:1. В них сосредоточено примерно 90% всей клеточной РНК. Малая и большая субъединицы содержат около четырех молекул рРНК, которая имеет вид нитей собранных в клубок. Окружены молекулы белками и формируют вместе рибонуклеопротеид.

Полирибосомы – это объединение информационной РНК и рибосом, которые нанизываются на нить иРНК. В период отсутствия синтезирующих процессов, рибосомы разъединяются и обмениваются субъединицами. При поступлении иРНК они снова собираются в полирибосомы.

Количество рибосом может изменяться в зависимости от функциональной нагрузки на клетку. Десятки тысяч находятся в клетках с высокой митотической активностью (меристема растений, стволовые клетки).

Образование в клетке

Субъединицы рибосом формируются в ядрышке. Матрицей для синтеза рибосомальной РНК является ДНК. Для полного созревания они проходят несколько этапов:

Биосинтез белков на рибосомах

Трансляция или синтез белков на рибосомах с матрицы иРНК – конечный этап преобразования генетической информации в клетках. Во время трансляции информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, переходит в белковые молекулы со строгой последовательностью аминокислот.

Трансляция – весьма непростой этап (в сравнении с репликацией и транскрипцией). Для проведения трансляции в процесс включаются все виды РНК, аминокислот, множество ферментов, которые могут исправлять погрешности друг друга. Самые важные участники трансляции – это рибосомы.

После транскрипции, новообразованная молекула иРНК, выходит из ядра в цитоплазму. Здесь после нескольких преобразований она соединяется с рибосомой. При этом аминокислоты приводятся в действие после взаимодействия с энергетическим субстратом – молекулой АТФ.

Аминокислоты и иРНК имеют разный химический состав и без постороннего участия не могут взаимодействовать между собой. Для преодоления этой несовместимости существует транспортная РНК. Под действием ферментов аминокислоты соединяются с тРНК. В таком виде они переносятся на рибосому и тРНК, с определенной аминокислотой, прикрепляется на иРНК в предназначенном месте. Далее рибосомальные ферменты формируют пептидную связь между присоединенной аминокислотой и строящимся полипептидом. После рибосома перемещается по цепи информационной РНК, оставляя участок для прикрепления следующей аминокислоты.

Рост полипептида идет до того момента, пока рибосома не встретит «стоп-кодон», который сигнализирует об окончании синтеза. Для освобождения новосинтезированного пептида от рибосомы включаются факторы терминации, окончательно завершающие биосинтез. К последней аминокислоте прикрепляется молекула воды, а рибосома распадается на две субъединицы.

Когда рибосома продвигается дальше по иРНК, она освобождает начальный отрезок цепи. К нему снова может присоединиться рибосома, которая начнет новый синтез. Таким образом, используя одну матрицу для биосинтеза, рибосомы создают одномоментно множество копий белка.

Роль рибосом в организме

Источник

Строение функция рибосома

Строение функция рибосома

Строение функция рибосома

Рибосомы — это важнейшие компоненты клеток как прокариот, так и эукариот. Строение и функции рибосом связаны с синтезом белка|белка в клетке, т. е. процессом трансляции.

По химическому составу рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиды, т. е. состоят из РНК и белков. В рибосомы входит только один тип РНК – рРНК (рибосомальная РНК). Однако существует 4 разновидности её молекул.

По строению рибосомы — это мелкие, округлой формы, немембранные органоиды клетки. Их количество в разных клетках варьирует от тысяч до нескольких миллионов. Рибосома — это не монолитная структура, она состоит из двух частиц, которые называют большой и малой субъединицами.

В клетках эукариот большинство рибосом прикреплено к ЭПС, в результате чего последняя становится шероховатой.

Большая|Большая часть рРНК, составляющая рибосомы, синтезируется в ядрышке. Ядрышко образуют определённые участки разных хромосом, содержащие множество копий генов, на которых синтезируется предшественник молекул рРНК. После синтеза предшественника он видоизменяется и распадается на три части — разные молекулы рРНК.

Одна из четырёх типов молекул рРНК синтезируется не в ядрышке, а в ядре на других участках хромосом.

В ядре происходит сборка отдельных субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму, где при синтезе белка|белка объединяются.

По строению обе субъединицы рибосом представляют собой молекулы рРНК, которые принимают определённые третичные структуры (сворачиваются) и инкрустируются десятками различных белков. При этом в состав большой субъединицы рибосом входит три молекулы рРНК (у прокариот — две), а в состав малой — только одна.

Единственная функция рибосом — это обеспечение возможности протекания химических реакций при биосинтезе белка|белка в клетке. Матричная РНК, транспортные РНК, множество белковых факторов в рибосоме занимают определённые положения, что даёт возможность эффективно протекать химическим реакциям.

При объединении субъединиц в рибосоме образуются «места|места» – сайты. Рибосома движется по мРНК и «считывает» кодон за кодоном. В один сайт поступает тРНК с присоединённой к ней аминокислотой, в другом – находится ранее прибывшая тРНК, к которой прикреплена ранее синтезированная полипептидная цепочка. В рибосоме между аминокислотой и полипептидом образуется пептидная связь. В результате полипептид оказывается на «новой» тРНК, а «старая» покидает рибосому. На её место смещается оставшаяся тРНК вместе со своим «хвостом» (полипептидом). Рибосома сдвигается по мРНК вперёд на один триплет, и к нему присоединяется комплементарная тРНК и т. д.

По одной цепи мРНК могут двигаться друг за другом|другом несколько рибосом, образуя полисому.

Видео по теме : Строение функция рибосома

Строение функция рибосома

Каждая клетка любого организма имеет сложную структуру, включающую в себя множество компонентов.

Вкратце о строении клетки

Она состоит из мембраны, цитоплазмы, органоидов, которые в них расположены, а также ядра|ядра (кроме прокариотов), в котором находятся молекулы ДНК. Кроме того, над мембраной имеется дополнительная защитная структура. В животных клетках это гликокаликс, во всех остальных — клеточная стенка. У растений она состоит из целлюлозы, у грибов — из хитина, у бактерий — из муреина. Мембрана состоит из трёх слоёв: двух фосфолипидных и белкового между ними. В ней есть поры|поры, благодаря которым осуществляется перенос веществ внутрь и наружу. Возле каждой поры|поры расположены специальные транспортные белки|белки, которые пропускают в клетку только определённые вещества. Органоидами животной клетки являются:

Рибосома — это что?

Раз уж мы говорим о ней в данной статье, то вполне логично задать такой вопрос. Рибосома — это органоид, который может быть расположен на внешней стороне стенок комплекса Гольджи. Нужно уточнить ещё, что рибосома — это органоид, который содержится в клетке в очень больших|больших количествах. В одной может находиться до десяти тысяч.

Где находятся данные органоиды?

Итак, как уже говорилось, рибосома — это структура, которая находится на стенках комплекса Гольджи. Также она может свободно передвигаться|передвигаться по цитоплазме. Третий вариант, где может располагаться рибосома — мембрана клетки. И те органоиды, которые находятся в этом месте, практически не покидают его и являются стационарными.

Рибосома — строение

Как же выглядит данная органелла? Она похожа на телефон с трубкой. Рибосома эукариот и прокариот состоит из двух частей, одна из которых больше, другая — меньше. Но эти две её составляющие не соединяются вместе, когда она находится в спокойном состоянии. Это происходит только тогда, когда рибосома клетки непосредственно начинает выполнять свои функции. О функциях мы поговорим позже. Рибосома, строение которой описывается в статье, также имеет в своём составе информационную РНК и транспортную РНК. Данные вещества необходимы для того, чтобы записывать на них информацию о нужных клетке белках|белках. Рибосома, строение которой мы рассматриваем, не имеет собственной мембраны. Её субъединицы (так называются две её половины) ничем не защищены.

Какие функции выполняет в клетке данный органоид?

То, за что отвечает рибосома, — синтез белка|белка. Он происходит на основе информации, которая записана на так называемой матричной РНК (рибонуклеиновой кислоте). Рибосома, строение которой мы рассмотрели выше, объединяет свои две субъединицы только на время синтеза белка|белка — процесса под названием трансляция. Во время данной процедуры синтезируемая полипептидная цепь находится между двумя субъединицами рибосомы.

Где они формируются?

Рибосома — органоид, который создаётся ядрышком. Данная процедура происходит в десять этапов, на протяжении которых постепенно формируются белки|белки малой и большой субъединиц.

Каким образом происходит формирование белков?

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. Данная процедура невозможна без участия АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты|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 идёт последний этап — пятый — это процессинг. На этой стадии из простой цепи аминокислот формируются сложные структуры, которые уже и представляют собой готовые белки|белки. В данном процессе участвуют специфические ферменты, а также кофакторы.

Структура белка|белка

Так как рибосома, строение и функции которой мы разобрали в этой статье, отвечает за синтез белков, то давайте рассмотрим подробнее их структуру. Она бывает первичной, вторичной, третичной и четвертичной. Первичная структура белка|белка — это определённая последовательность, в которой располагаются аминокислоты|аминокислоты, формирующие данное органическое соединение. Вторичная структура белка|белка представляет собой сформированные из полипептидных цепочек альфа-спирали и бета-складки. Третичная структура белка|белка предусматривает определённую комбинацию альфа-спиралей и бета-складок. Четвертичная же структура заключается в формировании единого макромолекулярного образования. 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|белки напоминают собой нить, волокно. Глобулярные больше похожи на клубок сплетённых между собой альфа-спиралей и бета-складок.

Что такое денатурация?

Каждый наверняка слышал это слово. Денатурация — это процесс разрушения структуры белка|белка — сначала четвертичной, затем третичной, а после — и вторичной. В некоторых случаях происходит и ликвидация первичной структуры белка|белка. Данный процесс может происходить вследствие воздействия на данное органическое вещество высокой температуры. Так, денатурацию белка|белка можно наблюдать при варке куриных яиц. В большинстве случаев этот процесс необратим. Так, при температуре выше сорока|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.

Вывод

Роль рибосом очень сложно переоценить. Именно они являются основой существования клетки. Благодаря данным органоидам она может создавать белки|белки, которые ей необходимы для самых разнообразных функций. Органические соединения, формирующиеся рибосомами, могут играть защитную роль, транспортную, роль катализатора, строительного материала для клетки, ферментативную, регуляторную (многие гормоны имеют белковую структуру). Поэтому можно сделать вывод, что рибосомы выполняют одну из самых важных функций в клетке. Поэтому их и так много — клетке всегда нужны продукты, синтезируемые данными органоидами.

Источник

Рибосомы строение и функции

Строение и функции рибосом необходимо знать любому современному человеку. Функционирование клетки живого организма – сложный процесс, продолжающийся в течение жизни организма.

Рибосомы представляют собой органоиды клетки, участвующие в сложном клеточном механизме трансляции генетического кода в цепи аминокислот. Длинные цепи аминокислот соединяются между собой, образуя белки, выполняющие различные функции. Схема строения рибосомы показана на рисунке ниже.

Какую функцию выполняют рибосомы

Назначение описываемого органоида в любой клетке заключается в осуществлении синтеза белков. Белки используются практически всеми клетками:

Основным хранилищем информации в клетках служит молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Специальный фермент, РНК-полимераза, связывается с молекулой ДНК и создает «зеркальную копию» матричную рибонуклеиновую кислоту (мРНК), свободно перемещающуюся из ядра в цитоплазму клетки.

Цепочка рибонуклеиновой кислоты обрабатывается при выходе из ядра, области РНК, которые не кодируют белки, удаляются, мРНК используется для дальнейшего синтеза белка.

Каждая мРНК состоит из 4 различных нуклеиновых кислот, тройки которых составляют кодоны. Каждый кодон определяет специфическую аминокислоту. В организме всех живых существ на Земле встречаются 20 аминокислот. Кодоны, используемые для спецификации аминокислот, почти универсальны.

Кодон, запускающий все белки «AUG», последовательность нуклеиновых оснований:

Специальная молекула РНК поставляет аминокислоты для синтеза транспортная РНК или тРНК. К активному кодону подходит тРНК, несущая соответствующую аминокислоту, ассоциируется с ним. Происходит образование пептидной связи новой аминокислоты со строящимся белком.

Где образуются рибосомы

Составные части органоида образуются в ядрышке. Две субъединицы объединяются для начала химического процесса синтеза белка из цепи мРНК. Рибосома действует в качестве катализатора, образуя пептидные связи между аминокислотами. Использованная тРНК высвобождается обратно в цитозоль, в дальнейшем она может связываться с другой аминокислотой.

Органоид достигнет стоп-кодона мРНК (UGA, UAG и UAA), остановив процесс синтеза. Специальные белки (факторы терминации) прервут цепочку аминокислот, отделив ее от последней тРНК формирование белка закончится.

Различные белки требуют некоторых модификаций, транспортировки в определенные области клетки до начала функционирования. Рибосома, прикрепленная к эндоплазматическому ретикулуму, поместит вновь образованный белок внутрь, он пройдет дополнительные модификации, будет должным образом свернут. Другие белки образуются непосредственно в цитозоли, где действуют как катализатор для различных реакций.

Рибосомы создают нужные клеткам белки, составляющие около 20 процентов состава клетки. Приблизительно в клетке находится 10 000 различных белков, приблизительно по миллиону копий каждого.

Рибосома эффективно и быстро участвует в синтезе, добавляя 3-5 аминокислот к белковой цепи в секунду. Короткие белки, содержащие несколько сотен аминокислот, могут быть синтезированы за считанные минуты.

Состав и строение рибосом

Рибосомы имеют схожую структуру в клетках всех организмов Земли, незаменимы при синтезе белков. В начале эволюции различных форм жизни рибосома была принята в качестве универсального способа перевода РНК в белки. Эти органоиды изменяются в различных организмах незначительно.

Описываемые органоиды состоят из большой и малой субъединицы, располагающихся вокруг молекулы мРНК. Каждая субъединица представляет собой комбинацию белков и РНК, называемых рибосомальной РНК (рРНК).

Длина рРНК в разных цепях разная. рРНК окружена белками, создающими рибосому. рРНК удерживает мРНК и тРНК в органоиде и действует в качестве катализатора для ускорения образования пептидных связей между аминокислотами.

Рибосомы измеряются в единицах Svedberg, означающих сколько времени требуется молекуле для осаждения из раствора в центрифуге. Чем больше число, тем больше молекула.

Различия между прокариотическими и эукариотическими рибосомами рассмотрены в таблице.

Рибосомы отвечают за процесс синтеза белка – двигательной силы организма и являются одним из ключевых органоидов живой клетки, представленной во всем многообразии живых существ на Земле.

Источник

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

Само название «Рибосома» говорит о функции этой органеллы — «рибо» — от рибонуклеиновой кислоты (РНК), «сома» — тело.

Соответственно, рибосомы есть в клетках животных — в большом количестве, есть в клетках бактерий, в меньшем — в клетках грибов и очень мало рибосом в клетках растений:

Получается, что рибосомы входят в состав абсолютно любой клетки. Почему? Потому что жизнь на земле — белковая, белки — неотъемлимая составляющая любого живого организма, только в животных клетках их больше, а в других — меньше.

Строение рибосомы

Функции рибосом

Трансляция — синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной РНК

Этапы биосинтеза белка:

По сути, т-РНК служат клеточными «переводчиками» с нуклеотидного «языка» на аминокислотный.

К одной молекуле РНК может присоединиться несколько рибосом. Получается такая «ниточка с бусинами». Т.о. одновреенно могут синтезироваться несколько белковых молекул. Такие «бусы» называются Полирибосомы («поли» — много).

Рибосомы клетки — удивительные органеллы. Они на столько четко справляются со своей работой, что мы и не замечаем, а ведь биосинтез белка идет непрерывно.

Источник

Чего вы не знаете о рибосоме.

Чего вы не знаете о рибосоме.

Рибосомы обладают избирательностью

Автор

Редактор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Еще со школьной скамьи мы знакомы с рибосомой — внутриклеточным органоидом, производящим белки. Роль рибосомы давно перестала быть тайной для человечества. Тут все просто и понятно: используя матричную РНК в качестве «инструкции по сборке»: рибосома последовательно соединяет аминокислоты в длинную белковую цепь. Казалось бы, назначение этого органоида в клетке — разгаданная загадка, и интерес к рибосоме должен вот-вот угаснуть. Но в последние десятилетия в области изучения рибосом совершается колоссальный переворот. И мы можем наблюдать его своими глазами!

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

Белки принимают участие в самых разных клеточных процессах. Например, они могут быть строительными блоками для образования клеточных структур, могут катализировать протекание химических реакций в клетке, осуществлять транспорт молекул из клетки и обратно, а также выполнять некоторые другие важные функции. Понятно, что для нормального роста и развития любой клетке необходимо синтезировать белки. А для их производства, как известно, необходимы рибосомы, ведь именно они отвечают за этот процесс.

Об экспериментах ученых над субъединицами рибосом читайте в статье «Биомолекулы» «Две рибосомные субъединицы объединили в функциональный гибрид» [1].

У «Биомолекулы» есть интересная статья-рассуждение о том, как именно мог сложиться этот «кодовый» язык»: «У истоков генетического кода: родственные души» [3]. Интересно, что генетический код может эволюционировать — «Биомолекула» приоткрывала завесу этой тайны в статье «Эволюция генетического кода» [4].

О том, как ученые исследовали это процесс, «Биомолекула» рассказывала в статье «Рибосома за работой» [5].

Еще несколько увлекательных статей «Биомолекулы» о генетическом коде (и не только) для самых любознательных читателей: «Самые нестандартные генетические коды» [6] и «Таинственный код нашего генома» [7].

Количество рибосом в клетке достаточно велико — более 15 тысяч на одну клетку. Одна рибосома синтезирует белок со скоростью 15–20 аминокислот в секунду. При этом ошибается она достаточно редко — одна ошибка случается на 3000 аминокислот. Если принять, что белки в среднем состоят из 400 аминокислотных остатков, то получается, что рибосома совершает всего 1 ошибку на 7 белков! Таким образом, работа рибосомы — высокоточный процесс, в котором задействовано множество дополнительных молекул. Известный американский биохимик Брюс Альбертс даже сравнил рибосому с «молекулярной машиной», подчеркнув этим слаженность и элегантность работы этого сложного молекулярного комплекса [8].

Рибосома была открыта в 1955 году [9], в то самое время, когда ученые ломали голову над тем, как именно генетическая информация перекодируется из ДНК в белки. Интересно, что уже тогда исследователи обратили внимание на неодинаковость рибосом в клетке (Джордж Паладе заметил, что размеры и формы клеточных рибосом немного различаются [10]). Предполагалось, что эта неодинаковость вызвана их различным составом. Фрэнсис Крик, являясь сторонником данного предположения, даже выдвинул гипотезу, суть которой можно выразить фразой «один ген — один белок — одна рибосома» [11]. Он полагал, что существует некий РНК-посредник (в то время о существовании мРНК еще не было достоверно известно), который после синтеза на ДНК встраивается в рибосому, а она, используя «код» этой РНК, производит белок. Предполагалось, что в клетке должны присутствовать тысячи различных рибосом, каждая из которых «сделана под заказ» для производства одного-единственного белка с использованием одного-единственного РНК-посредника. Но через некоторое время эту гипотезу признали ошибочной. Поскольку главные вопросы молекулярной биологии того времени относились к реализации генетической информации, изучение феномена неодинаковости рибосом отошло на второй план.

Новые вехи в истории рибосомы

Новая волна интереса к рибосомам поднялась в начале 90-х годов прошлого столетия. Возможно, толчком к этому послужили две примечательные работы, посвященные исследованию рибосом на разных стадиях жизни эукариотических организмов — малярийного плазмодия и клеточного слизевика.

Малярийный плазмодий вызывает у человека тяжелое заболевание — малярию. Заражение происходит после укуса малярийного комара, в слюне которого находится возбудитель болезни. Отличительной особенностью плазмодия является то, что его жизненный цикл состоит из двух частей (рис. 1). Одна часть протекает в теле комара, другая — в теле человека [12].

Рисунок 1. Жизненный цикл малярийного плазмодия

[12], рисунок с изменениями

После укуса спорозоиты плазмодия — мелкие червеобразные подвижные клетки — попадают в кровоток. По кровотоку они достигают печени, где размножаются бесполым путем, превращаясь в одноядерные клетки, называемые мерозоитами. Голодные мерозоиты атакуют клетки крови — эритроциты — и проникают в них. Питаясь гемоглобином, мерозоиты продолжают бесполое размножение. Через некоторое время они разрушают эритроциты и снова выходят в кровь, где набрасываются на новые эритроциты. Это происходит циклично через каждые 48 часов. При разрушении эритроцитов в кровоток попадают и токсичные продукты жизнедеятельности мерозоитов, так что у человека через равные промежутки времени наблюдаются приступы лихорадки с ознобом и высокой температурой.

На стадии выхода из эритроцитов часть мерозоитов приобретает признаки половых клеток (мужских и женских) — образуются гаметоциты. Когда это происходит, плазмодий вступает во вторую стадию жизненного цикла, которая протекает в теле комара. Если комар выпивает кровь больного малярией человека, то в его организме гаметоциты окончательно созревают и превращаются в гаметы. Именно в теле комара гаметы сливаются, образуя оплодотворенную яйцеклетку. Для дальнейшего развития яйцеклетке необходимо попасть в кишечник комара, где она, проходя несколько стадий, образует спорозоиты. Малярийный плазмодий возвращается в то состояние, когда для дальнейшего развития ему снова необходимо попасть в тело человека. Как только комар кусает свою жертву, спорозоиты попадают в кровь, и цикл повторяется.

Так вот, изучая рибосомы малярийного плазмодия, ученые выяснили, что рРНК малой субъединицы рибосомы кодируется двумя генами [13]. Оказалось, что в клетках плазмодия, живущего в москитах, образуется продукт одного рРНК-гена, а в клетках, попавших в млекопитающее или человека, — продукт другого гена рРНК. Выходило, что, во-первых, состав рибосомы может меняться, а, во-вторых, что эти изменения зависят от состояния внешней среды и от фазы жизненного цикла организма.

Похожие результаты, но уже в отношении других компонентов рибосомы — рибосомных белков — несколькими годами позже получили другие ученые.

Dictyostelium discoideum — слизевик, обитающий в верхних слоях почвы, — является излюбленным модельным организмом молекулярных биологов.

Бóльшую часть жизненного цикла диктиостелиум проводит в виде одноклеточных амёбоподобных форм (миксамёб), питающихся бактериями и дрожжами. При благоприятных условиях (достаточная влажность, нужная температура, наличие питательных веществ) миксамёбы питаются и свободно размножаются делением надвое. Можно сказать, что миксамёбы — индивидуалисты, предпочитающие избегать контактов с сородичами, но когда их численность возрастает и пищевые ресурсы заканчиваются, начинают происходить удивительные вещи. Одна или несколько голодающих клеток принимаются выделять молекулы циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) — сигнала «клеточного голода», который одновременно является хемоаттрактантом, привлекающим к источнику сигнала соседних миксамёб. Во время миграции ползущие миксамёбы выделяют и собственное небольшое количество цАМФ, привлекая все больше и больше новых клеток. В результате происходит быстрое объединение огромного количества миксамёб в единый холмообразный агрегат, насчитывающий до нескольких тысяч особей. Так возникает псевдоплазмодий — большое скопление амёбоидных клеток. От обычного плазмодия он отличается тем, что образующие его клетки не сливаются воедино полностью, а, находясь в тесном контакте с соседними клетками, все же сохраняют обособленность и индивидуальность. После агрегации, клетки, находящиеся на вершине «холма», все еще выделяют сигнальные молекулы, и за счет этого продолжают выталкиваться кверху клетками, находящимися у «подножия». Плазмодий вытягивается вверх, а затем заваливается на бок. С этого момента он переходит в стадию «слизня». Мигрируя по направлению к свету и более высокой температуре, слизень достигает поверхности почвы, где в результате перегруппировки и дифференцировки составляющих его клеток формируется плодовое тело. Оно состоит из вытянутого стебелька и находящейся на его вершине споровой коробочки. Споры после созревания рассеиваются ветром, и на новых местах при благоприятных условиях из них выходят миксамёбы, а жизненный цикл слизевика начинается заново (рис. 2) [14].

Рисунок 2. Этапы жизненного цикла слизевика Dictyostelium discoideum

Именно этот необычный жизненный цикл диктиостелиума заинтересовал ученых из Института молекулярной биологии в Нью-Джерси [15]. Они исследовали рибосомы клеток, находящихся на разных жизненных этапах: на стадии одноклеточной миксамёбы (назовем их рибосомы «старыми») и на стадии споры (назовем их рибосомы «новыми»). Из клеток обеих стадий выделили рибосомные белки и количественно сравнили. Результаты были неожиданными. Как оказалось, между стадиями жизненного цикла происходит некое «переключение» состава рибосом, когда «старые» рибосомы утилизируются и на их место приходят «новые», состав которых отличен от первоначального (рис. 3)! В чем состояло отличие? Оказалось, что «новые» рибосомы содержат иные количества некоторых рибосомных белков по сравнению со «старыми». Опять, как и в случае с плазмодием, получалось, что состав рибосом меняется в зависимости от стадии клеточного цикла, но изменениям в данном случае подвергается уже не рРНК, а другой компонент рибосомы — белки.

Рисунок 3. Изменение клеточного состава рибосом слизевика Dictyostelium discoideum в течение жизненного цикла

[12], рисунок с изменениями

Как можно объяснить полученные в ходе этих двух экспериментов данные, фиксирующие изменения в составе рибосом, которые зависят от стадии жизни организма и от условий внешней среды? Знакомясь с научными статьями, посвященными этому вопросу, можно встретить разные рассуждения. Например, такое. Оно опирается на наше знание того, что на разных стадиях жизненного цикла производимый клеткой набор белков примерно схож. Но для каждой стадии существуют и свои характерные белки. По-видимому, для производства таких белков на каждой конкретной стадии необходимы «специальные» рибосомы. При переходе на другую стадию, где требуются иные характерные белки, образуются иные «специальные» рибосомы. Но как рибосома узнает, какие именно белки ей производить? Можно предположить, что для производства «нужных» белков она должна «выбрать» соответствующие им мРНК из всех мРНК, присутствующих в клетке. Как и какие мРНК ей выбрать для трансляции? Опять же можно предположить, что в рибосоме существует некий участок (это могут быть области рРНК, рибосомных белков или те и другие одновременно), взаимодействующий с молекулами мРНК и каким-то образом производящий «селекцию» тех молекул мРНК, которые будут использованы для трансляции. Иными словами, те или иные молекулы, входящие в рибосому, могут напрямую влиять на то, какие мРНК она «выберет» для трансляции и, следовательно, на то, какие белки будут образовываться в клетке [16]. Эти рассуждения приводят к вероятности существования взаимозависимости между набором белков и составом рибосом.

Встречаются и другие рассуждения. Вот еще одно из них. Обновление молекул, включая и те, что входят в рибосому, — это главнейший процесс во время роста и развития клетки. Поэтому можно рассматривать синтез «новых» рибосом как механизм поддержания стабильности этих органелл и их функциональной целостности для обеспечения выживаемости организма [17]. Например, в случае со слизевиком ученые обнаружили, что малая (40S) субъединица рибосом у спор более устойчива к воздействию температуры, чем малая субъединица рибосом миксамёб. Возможно, именно «новые» рибосомные белки обеспечивали эту стабильность. Эти рассуждения могут приводить к мысли о том, что рибосомы способны играть роль в поддержании гомеостаза для повышения выживаемости организма.

Во времена описываемых опытов образование зрелой 80S рибосомы из двух субъединиц являлось загадкой, но третий вариант рассуждений [16] был приближен к современному и опирался на то, что для соединения двух субъединиц в одну зрелую крайне важно взаимодействие рРНК и рибосомных белков. Однако было непонятно, какую именно роль играют рРНК и рибосомные белки в образовании ее функциональных областей. Предполагалось, что рРНК крайне важна для производства белковой цепи, и ее «правильная» структура необходима для протекания разных этапов этого процесса. А вот рибосомные белки нужны именно для создания такой структуры. Они являются каркасом для правильного расположения рРНК в зрелой рибосоме. Таким образом, назначение «переключения» белкового состава рибосом — регулировать пространственную структуру рибосомы, обеспечивая доступ к ее участкам, необходимым для трансляции белков именно на данном этапе жизненного цикла.

Проведенные опыты позволили ввести понятие гетерогенной популяции рибосом — то есть такой популяции, в которой один или несколько структурных компонентов (рибосомные белки или рибосомные РНК) зрелой органеллы подвергались изменениям (качественным или количественным) в течение жизненного цикла клетки.

Возникало множество вопросов. Например, какое из приведенных выше суждений справедливо, какая теория верна? Какую все-таки роль играют рибосомные белки и рРНК в функционировании рибосомы? Влияют ли они на синтез специфических молекул, характерных для клеток определенных стадий и тканей? Каков механизм «переключения» состава рибосомы? Существуют ли гомогенные популяции рибосом, то есть такие, состав которых не меняется? А также возникали многие другие вопросы, ответов на которые в то время не было.

Рибосома — молекулярный фильтр?

В данной статье невозможно описать все эксперименты, проведенные исследователями во время поиска ответов на эти вопросы, хотя многие из них были крайне смелыми и новаторскими и, несомненно, увлекли бы читателя. Но мы ограничимся наиболее значительными, а также опишем ключевые научные идеи, лежащие в основе современного взгляда на рибосому.

В самом начале нового тысячелетия возникла гипотеза рибосомного фильтра [18]. Заслуга авторов этой гипотезы, Винсента Мауро и Геральда Эдельмана, в том, что они, проанализировав и обобщив накопившиеся к тому времени данные, предложили совершенно новый взгляд на рибосому и на принцип ее функционирования. Если раньше рибосома рассматривалась как пассивная структура, с машинной точностью воспроизводящая генетическую информацию, то новый взгляд, предложенный авторами, возводил рибосому в новый ранг, и теперь ей приписывалась неожиданная роль в управлении фундаментальными клеточными процессами. Она приобретала звание «фильтра», который из общего потока клеточных мРНК отсеивает некоторую часть с заданными свойствами и на их основе производит белок. Остальные же мРНК она для трансляции не использует. Авторы предложили и механизм «отсеивания».

Дело в том, что в мРНК есть не только области, кодирующие аминокислотную последовательность белка, но и области, имеющие чисто регуляторное назначение (рис. 4). С их помощью начинать синтезировать белок рибосома может по двум разным механизмам.

Рисунок 4. Белки могут образовываться двумя разными способами. Слева изображен кэп-зависимый механизм начала трансляции. Рибосома садится на кэп, который располагается на одном из концов мРНК, в так называемой нетранслируемой области (НТО), так как она не «переводится» в белок, а является чисто регуляторной. Справа — кэп-независимый механизм. Рибосома садится на IRES, который, благодаря своей сложной пространственной структуре (в рамке), направляет ее к старт-кодону.

рисунок автора статьи

Первый носит название кэп-зависимого, или сканирующего. На одном из концов молекулы мРНК имеется специальная структура — кэп (молекула 7-метилгуанозина), на который перед началом синтеза садится рибосома. Сев, она движется вдоль молекулы мРНК, сканируя ее на предмет старт-кодона, кодирующего первую аминокислоту белка. Найдя старт-кодон, рибосома начинает синтез.

При втором механизме, кэп-независимом, характерном в основном для вирусов, рибосома садится на специальную область, называемую IRES (Internal Ribosomal Entry Site; в переводе с англ. — «сайт внутренней посадки рибосомы»), которая и направляет ее к старт-кодону.

Так вот, гипотеза рибосомного фильтра предполагала, что «фильтрование» происходит за счет специфического взаимодействия рибосомных белков и рРНК с определенными областями мРНК, которые могут запускать синтез белка по схожему с IRES принципу. Такие взаимодействия должны носить конкурирующий характер. Это значит, что мРНК, обладающие одинаковыми или схожими областями, будут соперничать за связывание с рибосомой, и эффективность их трансляции будет различна.

Способность клетки менять состав рибосом также имеет огромное значение для работы «фильтра». Добавление или утрата некоторых компонентов может приводить к пространственной недоступности областей рибосомы, взаимодействующих с мРНК, а значит, будет блокировать и синтез некоторых белков. Именно так, по мнению авторов гипотезы, могла меняться специфичность «фильтра».

Гипотеза рибосомного фильтра породила другую гипотезу — о специализации рибосом [19]. Специализация — следствие гетерогенности, то есть избирательность рибосом в отношении мРНК, которая приводит к синтезу только каких-то определенных белков, закодированных в «избранных» рибосомой молекулах мРНК. К сожалению, ввиду отсутствия приборов и методов, с помощью которых можно было бы экспериментально проверить описанные идеи, эти гипотезы так и оставались гипотезами некоторое время.

Гипотезы приобретают подтверждение

Несомненно, двадцать первый век — век высоких технологий, позволяющих человеку совершать то, что раньше казалось выдумкой ученых-фантастов. И молекулярные биологи активно пользуются результатами научно-технического прогресса в своих научных изысканиях. Благодаря интенсивному развитию техники, несколько лет назад сразу обе гипотезы нашли свое экспериментальное подтверждение [20]. С помощью самых современных технологий установили, что рибосомы модельного объекта — стволовой клетки эмбриона мыши, не обладающей таким сложным жизненным циклом, как клетки диктиостелиума или малярийного плазмодия, также гетерогенны, то есть отличаются друг от друга составом входящих в них белков. Получается, что и клетки млекопитающих содержат неодинаковые по составу рибосомы!

Дальше — больше. Оказалось, что в одной и той же клетке присутствует не одна гетерогенная популяция рибосом, как полагали ранее, а сразу несколько таких популяций! Они не сменяют друг друга, а сосуществуют одновременно. Было экспериментально доказано, что каждая из популяций преимущественно осуществляет трансляцию только определенного набора мРНК. Это означает, что рибосомы не универсальны, то есть не способны транслировать абсолютно любую молекулу мРНК, как считалось ранее. Отдельные группы рибосом взаимодействуют только с некоторыми мРНК и, следовательно, «отвечают» за синтез лишь части клеточных белков. Было доказано, что избирательность рибосом вызвана именно присутствием определенных рибосомных белков, которые, предположительно, связываются с некими регуляторными областями в мРНК. Но точный механизм этого процесса требует дальнейших исследований.

Итак, получается, что функции рибосомных белков более обширны, чем мы были склонны думать ранее! Благодаря изменениям состава рибосомы клетка может регулировать, какие гены будут «превращены» в белки, а какие нет, в соответствии с ее нуждами.

Что же дальше?

Пока рано говорить о том, куда приведут нас исследования гетерогенности рибосом. Несомненно, они позволят человечеству лучше понимать механизмы многих заболеваний, в том числе онкологических.

Например, уже выявлены заболевания, именуемые рибосомопатиями, причиной которых являются генетические мутации компонентов рибосом [21].

Анемия Даймонда—Блэкфана — типичный пример рибосомопатии, выявляется в течение первого года жизни ребенка. Это заболевание названо в честь врачей, впервые его описавших и классифицировавших в 30-е годы двадцатого века. Оно относится к числу редких, встречается в пяти случаях из миллиона, с одинаковой вероятностью и у мальчиков, и у девочек. Первичным симптомом болезни является повышенная бледность кожи ребенка, описаны случаи рождения детей с «заячьей губой». К возрасту шести месяцев могут появиться такие симптомы как увеличение размеров печени и селезенки, нарушения работы сердечно-сосудистой системы. Также происходит процесс торможения выработки эритроцитов в костном мозге, из-за чего наблюдаются бледность, вялость, быстрая утомляемость. При отсутствии лечения заболевание приводит к тяжелой сердечной недостаточности и смерти. Как оказалось, причиной, вызывающей анемию Даймона—Блэкфана, являются мутации в генах, кодирующих некоторые рибосомные белки, что приводит к неправильной работе рибосом, снижению их количества в клетках и, как следствие, негативным последствиям.

В заключение

История рибосомы, начавшаяся более шестидесяти лет назад, — яркий пример процесса научного поиска, который привел к изменению нашего взгляда на работу и функции рибосомы. Сейчас мы не можем сказать, чем закончится эта история, к каким результатам и открытиям она приведет.

В науке не бывает незначительных результатов. Мы, обыватели, привыкли, что ее достижения влияют на нашу жизнь, а, следовательно, должны быть масштабными и иметь непосредственное практическое применение. Например, открытие пенициллина — первого антибиотика — позволило спасти миллионы жизней и дало виток новому направлению исследований, до сих пор не утратившему актуальности. Масштаб и польза налицо. Однако нам следует помнить, что в области познания не бывает «больших» и «малых» достижений. Любой научный результат — это всегда движение вперед, это всегда большая победа, созданная огромным кропотливым трудом целой плеяды ученых. Так же и исследования рибосомы. Возможно, они станут еще одним штрихом, добавленным учеными к нашей картине мира, а возможно, приведут к колоссальному прорыву, например, в лечении онкологических заболеваний.

Источник