Строение эукариотической рибосомы. Рибосома: функции и строение. Где образуются рибосомы
Строение растительной клетки изучает наука - физиология растений. Клетка является основной структурной единицей как растительного , так и животного организма . Она представляет собой наименьшую часть организма, обладающую свойствами живого
Одноклеточные и многоклеточные растения
Есть растения одноклеточные и многоклеточные . К первым относятся некоторые , состоящие только из одной клетки, и в этом случае такая клетка несет в себе все присущие ей функции. Многоклеточные растения представляют собой не простую сумму клеток, а единый организм , в котором они образуют различные ткани и органы, находящиеся во взаимодействии друг с другом.Структурные элементы растительной клетки
Клетки растений весьма разнообразны как по размерам и форме, так и по выполняемым ими функциям, но в основном состоят из одних и тех же частей. Строение взрослой растительной клетки.- - оболочка,
- - срединная пластинка,
- - межклетник,
- - плазмодесмы,
- - плазмалемма,
- - тонопласт,
- - вакуоля,
- - цитоплазма,
- - капелька масла,
- - митохондрия,
- - хлоропласт,
- - граны в хлоропласте,
- - крахмальное зерно в хлоропласте,
- - ядро,
- - ядерная оболочка,
- - ядрышко,
- - хроматин.
- оболочки,
- протоплазмы,
- вакуоли.
Протоплазма
Протоплазма - это живое вещество организма; в ней протекают сложнейшие реакции обмена, характерные для жизни. В протоплазме находится большое количество мембран-пленок, в образовании которых большую роль играют соединения белков с фосфатидами (жироподобными веществами). Благодаря наличию мембран у протоплазмы имеются огромные внутренние поверхности, на которых и протекают процессы адсорбции (поглощения) и десорбции (выделения) веществ и их передвижение, происходящие с большой скоростью. Большое количество мембран, разделяющих содержимое клетки, позволяет различным веществам, находящимся в клетке, не перемешиваться и передвигаться одновременно в противоположных направлениях. Однако физико-химические свойства мембран непостоянны; они непрерывно изменяются в зависимости от внутренних и внешних условий, что дает возможность саморегулирования биохимических процессов.Химический состав протоплазмы
Химический состав протоплазмы очень сложен. Она состоит из органических и неорганических соединений, находящихся как в коллоидном, так и в растворенном состоянии. Удобным объектом для изучения химического состава протоплазмы является плазмодий фикомицетов, представляющий собой голую, лишенную оболочки протоплазму. Ниже приведен суммарный состав протоплазмы фикомицетов (в % от сухого веса): Водорастворимые органические вещества......................................................... 40,7 Из них: сахара.............................................................................................................. 14,2 белки............................................................................................................................... 22 аминокислоты, органические основания и другие азотные соединения..... 24,3 Не растворимые в воде органические вещества............................................... 55,9 Из них: нуклеопротеиды............................................................................................ 32,2 свободные нуклеиновые кислоты.......................................................................... 2,5 глобулины (простые белки) ....................................................................................... 0,5 липопротеиды............................................................................................................... 4,8 нейтральные жиры...................................................................................................... 6,8 фитостеролы (высокомолекулярные спирты) ....................................................... 3.2 фосфатиды....................................................................................................................... 1,3 другие органические вещества.................................................................................. 4,6 Минеральные вещества............................................................................................... 3,4 Химический состав протоплазмы близок к приведенному выше, но он может изменяться в зависимости от вида, возраста и органа растения. В протоплазме содержится до 80% воды (в протоплазме покоящихся семян - 5-15%). Она пропитывает всю коллоидную систему протоплазмы, являясь ее структурным элементом. В протоплазме все время происходят химические реакции, для протекания которых необходимо, чтобы реагирующие соединения были в растворе.Цитоплазма
Основной частью протоплазмы является цитоплазма , представляющая собой полужидкое содержимое клетки и заполняющее ее внутреннее пространство. В цитоплазме расположены ядро, пластиды, митохондрии (хондриосомы), рибосомы и аппарат Гольджи. Наружная мембрана цитоплазмы, граничащая с клеточной оболочкой, называется плазмалеммой. Плазмалемма легко пропускает воду и многие ионы, но задерживает крупные молекулы. На границе цитоплазмы с вакуолью тоже образуется мембрана, называемая тонопластом. В цитоплазме расположена эндоплазматическая сеть, представляющая собой систему ветвящихся мембран, соединенных с наружной мембраной. Мембраны эндоплазматической сети образуют каналы и расширения, на поверхности которых и протекают все химические реакции. Важнейшие свойства цитоплазмы - вязкость и эластичность. Вязкость цитоплазмы изменяется в зависимости от температуры: при повышении температуры вязкость уменьшается и, наоборот, при понижении - увеличивается. При большой вязкости обмен веществ в клетке снижается, при малой - возрастает. Эластичность цитоплазмы проявляется в ее способности возвращаться к исходной форме после деформации, что указывает на определенную структуру цитоплазмы. Цитоплазма способна к движению, которое тесно связано с окружающими условиями. Основу движения составляет сократимость белков цитоплазмы клеток. Повышение температуры ускоряет движение цитоплазмы, отсутствие кислорода останавливает его. Вероятно, движение цитоплазмы тесно связано с превращением веществ и энергии в растении. Способность цитоплазмы реагировать на внешние условия и приспосабливаться к ним называется раздражимостью. Наличие раздражимости характеризует живой организм. Ответная реакция цитоплазмы на воздействие температуры, света и влаги требует затраты энергии, которая выделяется в процессе дыхания. Листочки стыдливой мимозы при механическом раздражении быстро складываются, но при частом повторении раздражения перестают на него реагировать; последнее, по-видимому, объясняется недостатком энергии. Раздражимость цитоплазмы- основа всех видов движения и других явлений жизнедеятельности раст.Ядро
Ядро - важнейший и самый крупный органоид клетки. Размеры ядра зависят от вида растения и состояния клетки (у высших растений в среднем от 5 до 25 мк). Форма ядра чаще всего шаровидная, у вытянутых клеток - овальная. Живая клетка обычно имеет только одно ядро, но у высших растений сильно вытянутые клетки (из которых образуются лубяные волокна) содержат по нескольку ядер. В молодых клетках, не имеющих вакуоли, ядро обычно занимает центральное положение, у взрослых при образовании вакуолей оно отодвигается к периферии. Ядро представляет собой коллоидную систему, но более вязкую, чем цитоплазма. Оно отличается от цитоплазмы и по химическому составу; в ядре содержатся основные и кислые белки и различные ферменты, а также большое количество нуклеиновых кислот, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК преобладает в ядре и обычно не содержится в цитоплазме. Ядро отделяется от цитоплазмы тонкой оболочкой, или ядерной мембраной, в которой находятся отверстия - поры. Через поры осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой. Под мембраной находится ядерный сок, в который погружены одно или несколько ядрышек и хромосомы. В ядрышке содержатся рибонуклеиновая кислота (РНК), которая принимает участие в синтезе белка, и фосфорсодержащие белки. Ядро принимает участие во всех жизненных процессах клетки; при его удалении клетка отмирает.Пластиды
Пластиды имеются только в растительных клетках. Они хорошо видны в обычный микроскоп, так как более плотные и иначе преломляют свет, чем цитоплазма. Во взрослой растительной клетке различают 3 типа пластид:- хлоропласты, имеющие зеленую окраску,
- хромопласты желтые или оранжевые,
- лейкопласты - бесцветные.
Митохондрии
Митохондрии встречаются во всех живых клетках и расположены в цитоплазме. Форма их весьма разнообразна и изменчива, размеры 0,2-5 мк. Количество митохондрий в клетке колеблется от десятков до нескольких тысяч. Они более плотны, чем цитоплазма, и имеют иной химический состав; в них содержится 30-40% белка, 28-38% липоидов и 1 - .6% рибонуклеиновой кислоты. Митохондрии передвигаются в клетке вместе с цитоплазмой, но в некоторых клетках, по-видимому, они способны и к самостоятельному движению. Роль митохондрий в обмене веществ клетки очень велика. Митохондрии являются центрами, в которых происходит дыхание и образование макроэргических связей, заключенных в аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ) и имеющих большой запас энергии (стр. 70, 94-96). Освобождение и перенос образующейся энергии происходят с участием большого числа ферментов, находящихся в митохондриях.Аппарат Гольджи
В цитоплазме находится аппарат Гольджи , форма которого различна в разных клетках. Он может быть в виде дисков, палочек, зернышек. Аппарат Гольджи имеет много полостей, окруженных двухслойной оболочкой. Роль его сводится к накоплению и выведению из клетки различных веществ, вырабатываемых клеткой.Рибосомы
Рибосомы - это субмикроскопические частицы, имеющие форму зернышек размером до 0,015 мк. Рибосомы содержат много белка (до 55%) и богаты рибонуклеиновой кислотой (35%), что составляет 65% всей рибонуклеиновой кислоты (РНК), находящейся в клетке. В рибосомах из аминокислот синтезируются белки, что возможно только при наличии РНК. Рибосомы находятся в цитоплазме, ядре, пластидах и, возможно, в митохондриях. Химический состав органоидов. В настоящее время благодаря созданию центрифуг, имеющих огромную скорость вращения (десятки тысяч оборотов в минуту), можно отделять различные части клетки друг от друга, так как они имеют разный удельный вес. Поэтому стало возможным изучать биохимические свойства каждой части клетки. Для сравнения химического состава органоидов клетки приводим данные (табл. 1).Химический состав органоидов растительной клетки (в °/о от сухого вещества)
| Органоид | Белки | Липоиды | Нуклеиновые кислоты | Примечание |
| Цитоплазма | 80-95 | 2-3 | 1-2 | Большая часть нуклеиновых кислот - ДНК |
| Ядра | 50-80 | 8-40 | 10-30 | |
| Пластиды | 30-45 | 20-40 | 0,5-3,0 | |
| Митохондрии | 30-40 | 25-38 | 1-6 | |
| Рибосомы | 50-57 | 3-4 | 35 |
Клеточная оболочка
Характерный признак растительной клетки - наличие прочной оболочки, которая придает клетке определенную форму и предохраняет протоплазму от повреждений. Оболочка может расти только при участии протоплазмы. Клеточная оболочка молодых клеток состоит в основном из целлюлозы (клетчатки), гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Молекулы целлюлозы имеют вид длинных цепочек, собранных в мицеллы, расположение которых неодинаково у разных клеток. У волокон льна, конопли и других, представляющих собой вытянутые в длину клетки, мицеллы целлюлозы расположены вдоль клетки под некоторым углом. У клеток с одинаковым диаметром мицеллы расположены по всем направлениям в виде сетки. В межмицеллярных пространствах оболочки находится вода. В процессе жизни растительного организма в строении клеточной оболочки могут происходить изменения: оболочка может утолщаться и химически изменяться. Утолщение оболочки идет изнутри за счет жизнедеятельности протоплазмы, причем оно происходит не по всей внутренней поверхности клетки; всегда остаются не утолщенные места - поры, состоящие только из тонкой целлюлозной оболочки. Через поры, расположенные в соседних клетках друг против друга, проходят тончайшие нити цитоплазмы - плазмодесмы, благодаря которым осуществляется обмен между клетками. Однако при очень сильном утолщении оболочек резко затрудняется обмен, в клетке остается очень мало протоплазмы, и такие клетки отмирают, например лубяные волокна льна и конопли. В оболочке клетки могут происходить также химические изменения в зависимости от характера растительной ткани. В покровных тканях - эпидермисе - происходит кутинизация. При этом в межмицеллярных пространствах целлюлозной оболочки накапливается кутин - жироподобное вещество, трудно проницаемое для газов и воды. Однако кутинизация не приводит к отмиранию клеток, так как отложения кутина не захватывают всей поверхности клетки. В клетках покровной ткани кутинизируется только наружная стенка, образуя так называемую кутикулу. В оболочках клеток может также откладываться суберин - пробковое вещество, тоже жироподобное и непроницаемое для воды и газов. Отложение суберина, или опробковение, происходит быстро по всей поверхности оболочки, это нарушает обмен клетки и приводит к ее отмиранию. Может происходить и одревеснение оболочки. В этом случае она пропитывается лигнином, который приводит к остановке роста клетки, а в дальнейшем, при более сильном одревеснении, и к ее отмиранию.Клеточный сок
Молодая растительная клетка полностью заполнена протоплазмой, но по мере роста клетки в ней появляются вакуоли, заполненные клеточным соком . Вначале вакуоли возникают в большом количестве в виде мелких капелек, затем отдельные вакуоли начинают сливаться в одну центральную и протоплазма оттесняется к стенкам клетки.
Изменения происходящие в растительной клетке при ее росте.
- - молодая клетка,
- - образование вакуолей,
- - слияние вакуолей и оттеснение протоплазмы к оболочке.
Как же выглядит данная органелла? Она похожа на телефон с трубкой. (Рис. 6) Рибосома эукариот и прокариот состоит из двух частей, одна из которых больше, другая - меньше. Но эти две ее составляющие не соединяются вместе, когда она находится в спокойном состоянии. Это происходит только тогда, когда рибосома клетки непосредственно начинает выполнять свои функции. Рибосома также имеет в своем составе информационную РНК и транспортную РНК. Данные вещества необходимы для того, чтобы записывать на них информацию о нужных клетке белках. Рибосома не имеет собственной мембраны. Ее субъединицы (так называются две ее половины) ничем не защищены.
Рисунок 6. Внешний вид рибосомы.
Большая субчастица, в свою очередь, состоит из:
- · одной молекулы рибосомальной РНК, которая является высокополимерной;
- · одной молекулы РНК, которая является низкополимерной;
- · некоторого количества молекул белка, как правило, их около трех десятков.
Что касается меньшей субчастицы, то тут немного проще. (Рис.7) В ее состав входят:
- · молекула высокополимерной РНК;
- · несколько десятков молекул белка, как правило, около 40 штук (молекулы при этом разнообразные по структуре и форме).
Рисунок 7. Меньшая субчастица рибосомы.
Молекула высокополимерной РНК необходима для того, чтобы все присутствующие белки соединить в одну целостную рибонуклеопротеидную составляющую клетки.
Функции рибосомы
Какие функции выполняет в клетке данный органоид? То, за что отвечает рибосома, - синтез белка. Он происходит на основе информации, которая записана на так называемой матричной РНК (рибонуклеиновой кислоте). Рибосома объединяет свои две субъединицы только на время синтеза белка - процесса под названием трансляция. (Рис.8) Во время данной процедуры синтезируемая полипептидная цепь находится между двумя субъединицами рибосомы.
Рисунок 8. Процесс трансляции.
В процессе выполнения основной своей функции, то есть во время синтеза белка, рибосома выполняет и ряд дополнительных:
- · Связка, а также удержание всех составляющих так называемой белоксинтезирующей системы. Принято называть данную функцию информационной, или матричной. Рибосома функции эти распределяет между двумя своими субчастицами, каждая из которых выполняет свою определенную задачу в данном процессе.
- · Рибосомы выполняют функцию каталитическую, которая заключается в образовании особой пептидной связи (амидная связь, которая возникает как при образовании белков, так и при возникновении пептидов). Сюда же можно отнести и гидролиз ГТФ (субстрата для синтеза РНК). За выполнение этой функции отвечает большая субъединица рибосомы. Именно в ней находятся специальные участки, в которых и происходит процесс синтеза пептидной связи, а также центр необходимый для гидролиза ГТФ. Помимо этого именно большая субъединица рибосомы во время биосинтеза белка удерживает на себе цепь, которая постепенно вырастает.
- · Выполняет рибосома функции механического передвижения субстратов, к коим относятся иРНК и тРНК. Иными словами, они отвечают за транслокацию.
Рисунок 9. Синтез белка.
Каким образом происходит формирование белков? (Рис. 9, 10, 11) 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.
Рисунок 10. Синтез белка (фото).
Данная процедура невозможна без участия АТФ (аденозинтрифосфорной 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 идет последний этап - пятый - это процессинг. На этой стадии из простой цепи аминокислот формируются сложные структуры, которые уже и представляют собой готовые белки. В данном процессе участвуют специфические ферменты, а также кофакторы.
Рисунок 11. Синтез белка (схема).
Так как рибосома отвечает за синтез белков, то давайте рассмотрим подробнее их структуру. Она бывает первичной, вторичной, третичной и четвертичной. Первичная структура белка - это определенная последовательность, в которой располагаются аминокислоты, формирующие данное органическое соединение. Вторичная структура белка представляет собой сформированные из полипептидных цепочек альфа-спирали и бета-складки. Третичная структура белка предусматривает определенную комбинацию альфа-спиралей и бета-складок. Четвертичная же структура заключается в формировании единого макромолекулярного образования. (Рис. 12) 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 напоминают собой нить, волокно. Глобулярные больше похожи на клубок сплетенных между собой альфа-спиралей и бета-складок. Что такое денатурация? Каждый наверняка слышал это слово.
Рисунок 12. Четвертичная структура белка.
рибосома клетка белок генетический
Денатурация - это процесс разрушения структуры белка - сначала четвертичной, затем третичной, а после - и вторичной. В некоторых случаях происходит и ликвидация первичной структуры белка. Данный процесс может происходить вследствие воздействия на данное органическое вещество высокой температуры. Так, денатурацию белка можно наблюдать при варке куриных яиц. В большинстве случаев этот процесс необратим. Так, при температуре выше 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.
Изучение основных процессов, которые поддерживают существование органической жизни, ведется в разных направлениях. Львиная доля исследований приходится на молекулярную биологию и микробиологию. Как уже сейчас ясно, здоровье и жизнь многоклеточных сложных организмов по большей части зависит от тех операций, которые протекают внутри клеток. Изучение внутриклеточных метаморфоз – трудоемкое занятие, поскольку клетка многоклеточного эукариота не может жить жизнью отдельного организма. Жизнь эукариотов изучается, в том числе, и на базе знаний о простейших и бактерий. Так, рибосомы простейших бактерий очень похожи и по строению, и по функциям с ядерными клетками.
Изучая рибосомы в составе бактерий, человек получает не только важные знания о сложном процессе синтеза белка из аминокислот в органической клетке, но и добывает инструменты в борьбе со многими болезнями. Именно рибосомные нуклеопротеиды бактерий дают информацию о механизмах воздействия антибиотиков на патогенные микроорганизмы (вирусы, бактерии и т.д.).
В клетке бактерии рибосома выполняет функцию формировщика молекул белка. Ее строение обуславливает сложный процесс биосинтеза.
Суть работы нуклеопротеида заключается в том, что с его помощью на базе матричных РНК, с использованием транспортных РНК, производятся сложные полипептидные соединения, без которых бактериальная клетка не может продолжать свое существование.
Матричная и транспортная РНК не являются частью рибосомы, а содержатся в цитоплазме бактериальной клетки.
Таким образом, в синтезе белка принимает участие три клеточных структуры:
- матрица;
- транспортная РНК;
- рибосома.
Методы изучения
Современные биологические лаборатории имеют широкие возможности для изучения клетки и ее органоидов.
В сравнении с рибосомами эукариот, эти органоиды у прокариотов очень мелкие. Хотя в остальном эти составляющие клеток и бактерий и эукариотов очень похожи. Они также состоят из двух субчастиц, и сам процесс синтеза белка имеет массу схожих механизмов.
В связи с тем, что рибосомные нуклеопротеиды представляют одну из наиболее интересных человеку структурных единиц клетки, сегодня есть достаточно методов выявления закономерностей устройства и функционирования этого органоида.
Одним из самых широко используемых методов выявления нуклеопротеидов в бактериях является рибосомальный профилинг.
Этот метод выполняют следующим образом:
- Разрушение бактериальной клетки путем механического воздействия на нее. Химические реакции в данном случае исказят картину.
- Разрушение молекул РНК, которые не входят в состав рибосомы.
- Удаление всех полипептидных остатков из тех продуктов, которые были получены в результате разрушения.
- Обратное преобразование РНК в ДНК.
- Чтение аминокислотных последовательностей.
Само секвенирование может реализовываться с помощью нескольких методов, в частности, двух самых распространенных.
Метод Эдмана
Один из первых разработанных. Суть этого метода состоит в том, что пептид (белок) обрабатывают определенными реагентами, в результате чего происходит отщепление аминокислоты, из которой состоит белок.
Метод Сэнгера
Наиболее современный метод. Основан на использовании синтетического олигонуклеотида (олигонуклеотиды состоят более чем из двух нуклеиновых кислот).
Используемый метод позволяет идентифицировать все, даже наиболее мелкие участки РНК, которая исследуется. Благодаря получению полной информации об аминокислотах исследователи имеют возможность восстанавливать наиболее важные операционные моменты биосинтеза.
Большое значение эта информация имеет при исследовании реакции бактерий на антибиотики.
Строение
На данный момент наука имеет убедительное количество проверенных опытным путем сведений о строении рибосом бактерий и эукариотов.
Это макромолекулярный комплекс, который состоит из двух субчастиц разной величины:
- малая субчастица;
- большая субчастица.
Малая рибосома состоит из одной рибосомной РНК и трех десятков разных белков. Основная функция малой субчастицы состоит в том, чтобы связывать нуклеопротеид с матричной РНК (мРНК).
В течение всего процесса инициации и элонгации (присоединение мономеров к цепи макромолекулы) малая субчастица удерживает мРНК. Кроме того, она обеспечивает прохождение матрицы через нуклеопротеоид.
Таким образом, малая субчастица выполняет генетическую функцию декодирования информации.
В большой субчастице содержится 3 рибосомных РНК и около 50 белковых соединений. Большая субчастица с матрицей не вступает в контакт, она ответственна за протекание химических процессов в нуклеопротеидах при образовании полипептидных связей в транслируемом полипептиде.
Процесс трансляции
Процесс синтезирования белка (как у бактерий, так и эукариотов) имеет следующий цикл:
- инициация;
- элонгация;
- терминация.
Инициация
Инициация начинается с того, что к малой субчастице рибосомы присоединяется матричная РНК.
Если рибосомная макромолекула узнает тот трехбуквенный кодон, который есть на мРНК, то происходит присоединение антикодона тРНК.
Элонгация
Присоединений аминокислот, которые принесла тРНК и продвижение рибосомы вдоль матрицы с высвобождением молекулы тРНК.
Движение по мРНК осуществляется до тех пор, пока оно не достигает стоп-кодона, который имеется во всех матрицах.
Терминация
Новообразованный белок, который состоит из протранслированных аминокислот, отсоединяется.
В некоторых случаях завершение трансляции новообразованного белка сопровождается распадом (диссоциацией) рибосомы.
Отличия синтеза белка в клетках эукариотов
Несмотря на то, что рибосомы эукариотов состоят из тех же структурных частей, что и в клетках бактерий, синтез полипептидов эукариотов имеет свои особенности:
- Отличия в механизме инициации (узнавании кодонов и подборе антикодонов).
- Отличия на стадии терминации. У эукариотов в некоторых случаях после завершения синтеза белка и образования новой молекулы эта молекула не отсоединяется, а начинает инициацию заново.
Антибиотики
Воздействие на бактерию антибиотиками наиболее губительно сказывается на работе рибосом. Антигены, которые содержатся в антибиотиках, ингибируют все стадии трансляции белка, в результате чего белок не может нормально синтезироваться, в клетке прекращаются все обменные процессы, а также процессы, связанные с ростом и с размножением организма.
Рибосомы — внутриклеточные органеллы диаметром 20—22 нм, осуществляющие биосинтез белка. Они обнаружены в клетках всех живых организмов. Форма рибосом близка к сферической. Для клеток прокариот (бактерий, синезеленых водорослей), а также для хлоропластов и митохондрий эукариот характерны 70 S рибосомы; в цитоплазме всех эукариот обнаружены 80 S рибосомы. S — показатель скорости осаждения (седиментации), чем больше число S, тем выше скорость осаждения. Расположение рибосом в цитоплазме может быть свободным, но чаще всего они связаны с ЭПС, образуя полисомы (объединения ри-
босом в цитоплазме может быть свободным, но чаще всего они связаны с ЭПС, образуя полисомы (объединения рибосом с помощью информационной РНК).
Состав и строение рибосом . Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. Большая субъединица каждой рибосомы прикреплена к мембране самой шероховатой ЭПС, а малая выступает в цитоплазматический матрикс. Малая объединяет 1 молекулу рРНК и 33 молекулы различных белков, большая — три молекулы рРНК и около 40 белков. рРНК (рибосомная) выполняет функцию каркаса для белков (выполняют структурную и ферментативную роль), а также обеспечивает связывание рибосом с определенной нуклеотидной последовательностью иРНК (информационная РН К). Образование
рибосом в клетках идет путем самосборки из предварительно синтезированных РНК и белков. Предшественники рибосомальной РНК синтезируются в ядрышке на ДНК ядрышка.
Функции рибосом:
. специфическое связывание и удержание компонентов белоксинтезирующей системы (информационной РНК; транспортных РНК, (ГТФ) и белковых факторов трансляции);
. каталитические функции (образование пептидной связи, гидролиз гуанозинтрифосфата);
. функции механического перемещения субстратов (информационной и транспортных РНК), или транслокации.
Трансляция — процесс образования полипептидной цепи на матрице и РНК. Синтез белковых молекул происходит на рибосомах, расположенных либо свободно в цитоплазме, либо на шероховатом ЭПР.
Этапы трансляции (рис. 13):
Рис. 13. Схема трансляции
Последовательные стадии синтеза полипептида:
. малая субъединица рибосомы соединяется с мет тРНК, затем с иРНК;
. рибосома перемешается вдоль и РНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи;
. рибосома достигает одного из стоп-кодонов иРНК, полипептидная цепь высвобождается и отделяется от рибосомы.
Активация аминокислот. Каждая из 20 аминокислот белка соединяется ковалентными связями к определенной тРНК, используя энергию АТФ. Реакция катализуется специализированным ферментом, требующими присутствия ионов магния — аминоацил-тРНК-синтетазой.
Инициация белковой цепи. В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр с двумя участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильный (А-участок). В первой позиции находится тРНК, несущая определенную аминокислоту, во второй располагается тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот. 5"-конец иРНК, который содержит информацию о данном белке, связывается с Р-участком малой частицей рибосомы и с инициирующей аминокислотой (у прокариот формилметионин; у эукариот — метионин), прикрепленной к соответствующей тРНК. тРНК комплементарна с находящимся в составе иРНК триплетом, сигнализирующим о начале белковой цепи.
Элонгация представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит удлинение пептида. Полипептидная цепь удлиняется за счет последовательного присоединения аминокислот, каждая из которых доставляется к рибосоме и встраивается в определенное положение при помощи соответствующей тРНК. Между аминокислотой из пептидной цепочки и аминокислотой, соединенной с тРНК, образуется пептидная связь. Рибосома продвигается вдоль мРНК и тРНК с цепочкой аминокислот попадает в А-участок. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока рибосомы не поступят в кодон-терминатор, для которого не существует соответствующей тРНК.
Терминация. После завершения синтеза цепи, о чем сигнализирует т.н. стоп-кодон иРНК (УАА, УАГ, УГА). При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК, а рибосома распадается на две субчастицы.
Синтез пептида происходит не одной рибосомой, а несколькими тысячами, которые образуют комплекс — полисому.
Сворачивание и процессинг. Чтобы принять обычную форму, белок должен свернуться, образуя при этом определенную пространственную конфигурацию. До или после сворачивания полипептид может претерпевать процессинг, осуществляющийся ферментами и заключающийся в удалении лишних аминокислот, присоединении фосфатных, метальных и других групп и т. п.
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:
- Малые – находятся в прокариотических клетках, а также в хлоропластах и митохондриальном матриксе. Они не связаны с мембраной и имеют меньшие размеры (в диаметре до 15нм).
- Большие – находятся в эукариотических клетках, могут достигать в диаметре до 23нм, связываются с эндоплазматической сетью или крепятся к мембране ядра.
Схема строения
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:
- Эосома – первая фаза, при этом в ядрышке на ДНК синтезируется лишь рРНК;
- неосома – структура включающая не только рРНК, но и белки, после ряда модификаций выходит в цитоплазму;
- рибисома – зрелая органелла, состоящая из двух субъединиц.
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
- Рибосомы синтезируют белок для собственных нужд клетки и за ее пределы. Так в печени образуются плазменные факторы свертывания крови, плазмоциты продуцируют гамма-глобулины.
- Считывание закодированной информации с РНК, соединение аминокислот в запрограммированном порядке с образованием новых белковых молекул.
- Каталитическая функция – формирование пептидных связей, гидролиз ГТФ.
- Свои функции в клетке рибосомы выполняют более активно в виде полирибосом. Эти комплексы способны одновременно синтезировать несколько молекул белка.
