Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Молекулярная биология | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиА.С. Спирин. Принципы функционирования рибосом

Обзорные статьиА.С. Спирин. Принципы функционирования рибосом: (1)

Обзорные статьиА.С. Спирин. Биосинтез белка: инициация трансляции

Обзорные статьиА.С. Спирин. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции

Обзорные статьиА.С. Спирин. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции: (1)

Научные статьиБиогенез: мотивы и феномены возникновения жизни

Обзорные статьиВ.И. Агол. Разнообразие вирусов

Принципы структуры рибосом
А. С. СПИРИН
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ
Генетическая информация, находящаяся в клетке в виде ДНК и воспроизводящаяся в клеточных поколениях путем редупликации ДНК, реализуется через биосинтез белка. Для этого отдельные участки ДНК - гены - сначала транскрибируются (переписываются) в виде многочисленных копий РНК (информационной РНК, или мРНК), а затем эти копии транслируются (прочитываются) белоксинтезирующими частицами клетки - рибосомами, результатом чего является продукция белков, определяющих всю совокупность свойств и признаков организма (рис. 1). Таким образом, биосинтез белка - это центральный процесс живой клетки: именно через него "мертвые" молекулы нуклеиновых кислот обретают жизнь, химия превращается в биологию.

Рис. 1. Общая схема биосинтеза белков в клетке (ДНК РНК белок)
Транскрипция. Отдельные участки двутяжевой ДНК, называемые генами, являются матрицами для синтеза на них однотяжевых цепей РНК. Синтезированные цепи РНК комплементарны одной из цепей ДНК и, таким образом, точно воспроизводят дезоксирибонуклеотидную последовательность другой цепи ДНК в своей рибонуклеотидной последовательности.
Процессинг и транспорт. РНК в течение синтеза и после него, особенно в эукариотических клетках, может подвергаться ряду дополнительных изменений (добавление концевых групп, модификации нуклеотидов, вырезание определенных кусков нуклеотидной последовательности и др.). Получающаяся информационная, или мессенджер, РНК (мРНК) поступает далее к рибосомам (у эукариот транспортируется из ядра в цитоплазму) в качестве программы, определяющей аминокислотную последовательность в синтезируемом белке.
Активация и акцептирование аминокислот. Исходным материалом, из которого строится белок, являются аминокислоты, однако свободные аминокислоты клетки не могут быть непосредственно использованы рибосомой. Каждая аминокислота сначала активируется с помощью АТФ, а затем присоединяется к специальной молекуле РНК, называемой трансферной РНК (тРНК), вне рибосомы. Получающаяся аминоацил-тРНК поступает в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка.
Трансляция. Поток информации в виде мРНК и поток материала в виде аминоацил-тРНК поступают в рибосомы, которые являются молекулярными машинами, осуществляющими перевод, или трансляцию, генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности синтезируемой полипептидной цепи белка. Каждая рибосома последовательно сканирует цепь мРНК (движется вдоль нее от одного конца к другому) и соответственно выбирает из среды те аминоацил-тРНК, которые соответствуют (комплементарны) триплетным комбинациям нуклеотидов, находящимся в данный момент в рибосоме. Таким образом, движение рибосомы вдоль мРНК задает строгий временной порядок вхождения в рибосому разных аминоацил-тРНК в соответствии с порядком расположения кодирующих нуклеотидных комбинаций (кодонов) вдоль мРНК. Аминокислотный остаток выбранной аминоацил-тРНК каждый раз ковалентно присоединяется рибосомой к растущей полипептидной цепи, а деацилированная тРНК освобождается из рибосомы в раствор. Так последовательно остаток за остатком строится полипептидная цепь.
Формирование функционального белка. По мере синтеза полипептидная цепь частично высовывается из рибосомы и начинает сворачиваться в глобулу (котрансляционный фолдинг), а по завершении синтеза, то есть по прочтении всей мРНК, она освобождается из рибосомы и окончательно сворачивается (посттрансляционный фолдинг). Синтезируемый белок может транспортироваться через клеточные мембраны, что характерно для белков, производимых клеткой для общих нужд организма или клеточной популяции (секретируемые белки). Сворачивание белка и его транспорт через мембраны может сопровождаться различными ковалентными модификациями с помощью ферментов (процессинг белка)

Итак, процесс создания химической структуры белка (синтез полипептидной цепи) и в значительной мере ее физическое сворачивание в функционально активную белковую глобулу осуществляются рибосомой. Количество рибосом в клетке сильно варьирует - от тысяч до десятков тысяч на клетку - в зависимости от интенсивности белкового синтеза в данном типе клеток. Каждая рибосома полностью прочитывает одну молекулу мРНК и в соответствии с ее программой синтезирует одну молекулу белка, после чего может быть запрограммирована другой молекулой мРНК и произвести другую молекулу белка и т.д. Обычно одна молекула мРНК читается сразу несколькими рибосомами, двигающимися вдоль мРНК друг за другом и, таким образом, независимо синтезирующими идентичные молекулы белка, но с соответствующим отставанием. Такой динамический комплекс одной мРНК с несколькими рибосомами называется полирибосомой.
Химически рибосома есть рибонуклеопротеид: она состоит из специальной рибосомной РНК и специальных рибосомных белков, находящихся в комплексе друг с другом. Физически рибосома представляет собой компактную частицу специфической формы, лишенную внутренней и внешней симметрии, грубо аппроксимируемую сферой с диаметром около 30 нм. Функционально это молекулярная машина, протягивающая вдоль себя цепь мРНК, считывающая закодированную в мРНК генетическую информацию и параллельно, в соответствии с кодом, синтезирующая полипептидную цепь белка из поступающих в нее аминокислотных остатков. В процессе работы рибосома потребляет энергию гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ). Очевидно, что детальное знание структуры рибосомы является необходимой базой для понимания механизмов работы этой молекулярной машины.
В настоящее время полная структура рибосомы на молекулярном уровне еще неизвестна, хотя известно много деталей ее строения. В этой статье делается попытка обобщить многочисленные разрозненные сведения о структуре рибосом и сформулировать основные принципы, лежащие в основе ее молекулярной организации.

ПРИНЦИП N 1: ДВЕ НЕРАВНЫЕ СУБЧАСТИЦЫ
Электронно-микроскопические изображения рибосом ясно показывают, что эти округлые частицы подразделяются на две неравные части (рис. 2). Действительно, если в среде, окружающей рибосомы, понизить концентрацию ионов магния или каким-либо еще образом увеличить электростатическое отталкивание фосфатных групп рибосомной РНК, то рибосомная частица диссоциирует на две неравные субчастицы с соотношением их масс около 2 : 1. Полные рибосомные частицы и их субчастицы принято обозначать в соответствии с их коэффициентами седиментации (скоростями осаждения) в ультрацентрифуге, выражаемыми в единицах Сведберга (S). Бактериальная рибосома с молекулярной массой около 3 * 106 имеет коэффициент седиментации 70S и обозначается как 70S-частица, а несколько более крупная рибосома эукариотических организмов (животные, растения и грибы) предстает как 80S-частица. Их диссоциация на субчастицы описывается следующим образом:

Эта диссоциация обратима, и при восстановлении условий субчастицы реассоциируют в полные рибосомные частицы. В целом и электронно-микроскопические наблюдения, и эксперименты по диссоциации рибосом, и более изощренные подходы в изучении этих частиц показывают, что рибосома всегда построена из двух неравных блоков - большой и малой субчастиц и что блоки (субчастицы) рибосомы довольно лабильно ассоциированы друг с другом.


Рис. 2. Электронные микрофотографии индивидуальных рибосом Escherichia coli и их модель (внизу) в двух различных проекциях: слева - в так называемой перекрывающейся проекции, когда малая (30S) субчастица обращена к зрителю и закрывает собой часть большой (50S) субчастицы; справа - в боковой проекции, когда к зрителю обращен боковой палочкообразный выступ большой (50S) субчастицы, а малая (30S) субчастица расположена вверху (фотографии и модель В.Д. Васильева, Институт белка РАН, Пущино)

ПРИНЦИП N 2: САМОСВОРАЧИВАНИЕ РИБОСОМНОЙ РНК В КОМПАКТНОЕ ЯДРО
Каждая рибосомная субчастица содержит одну молекулу высокополимерной рибосомной РНК, составляющую от половины до двух третей всей массы субчастицы. Соответственно большая субчастица содержит в два раза более длинную рибосомную РНК, чем малая субчастица рибосомы. У бактерий это 23S РНК (около 3000 нуклеотидов) и 16S РНК (около 1500 нуклеотидов), а у животных 28S РНК (4700-4800 нуклеотидов) и 18S РНК (около 1900 нуклеотидов). Изолированные цепи высокополимерной рибосомной РНК в условиях, гасящих электростатическое отталкивание их фосфатных групп (высокие концентрации солей, особенно ионов магния), способны сворачиваться в компактные частицы характерной формы, причем компактно свернутая 23S РНК напоминает по форме полусферическую большую субчастицу рибосомы, а 16S РНК - удлиненную малую субчастицу (рис. 3). Аналогичное сворачивание и компактизация наблюдаются в присутствии рибосомных белков. Это позволяет предполагать, что, во-первых, при формировании рибосомных частиц в клетке цепи соответствующих рибосомных РНК (большой или малой) сами сворачиваются специфическим для них образом (подобно специфическому самосворачиванию полипептидных цепей в глобулярные белки) и, во-вторых, именно компактная специфическая структура рибосомной РНК во многом задает конечную морфологию соответствующей рибосомной субчастицы.

Рис. 3. Сравнение контуров рибосомных субчастиц и их изолированных высокополимерных РНК в компактной форме по данным электронной микроскопии: вверху - большая (50S) субчастица и ее 23S РНК. Внизу - малая (30S) субчастица и ее 16S РНК (В.Д. Васильев, Институт белка РАН, Пущино)

Физические исследования пространственного распределения РНК и белка в рибосомных субчастицах, проведенные с помощью рассеяния нейтронов, показали, что рибосомная РНК концентрируется в основном ближе к центру частиц, тогда как масса рибосомных белков занимает в среднем более периферическое положение. Можно сделать вывод, что свернутая молекула высокополимерной рибосомной РНК - это структурное ядро рибосомной субчастицы, определяющее и ее компактность, и ее форму, и организацию на ней рибосомных белков. Другими словами, будет не очень большим преувеличением сказать, что рибосома есть прежде всего ее РНК. Согласно большинству современных эволюционных концепций, примитивный предшественник рибосомы мог состоять только из РНК и лишь в ходе эволюции постепенно дополняться белками. Каркасная роль высокополимерной рибосомной РНК для специфического размещения (укладки) многочисленных рибосомных белков рассматривается ниже.
Следует отметить, что помимо высокополимерной РНК большая рибосомная субчастица содержит одну или две молекулы относительно низкомолекулярных РНК - это 5S РНК в случае бактерий и других прокариот или 5S РНК и 5,8S РНК в случае эукариотических организмов. Указанные малые рибосомные РНК сопоставимы по размерам с рибосомными белками и вместе с ними располагаются на ядре высокополимерной рибосомной РНК как на каркасе.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования