Рибосома синтезирует все белки клетки, но сама состоит из белков и РНК. Как могла появиться машина для синтеза белков, если для её сборки нужны белки? После того как в 2000 году удалось увидеть строение рибосомы атом за атомом, у этого вопроса появился конкретный ответ: в центре рибосомы лежит древнейшее «ядро» из РНК, а белки и новые участки РНК нарастали вокруг него слоями. В статье разобраны строение и работа рибосомы, история её изучения и современная модель её происхождения.
- 1. Строение рибосомы
- 2. Как работает рибосома
- 3. Как увидели рибосому
- 4. Рибосома — рибозим
- 5. Археология рибосомы: слои
- 6. Когда появились рибосомные белки
- 7. Рибосомы разных организмов
- 8. Рибосома и антибиотики
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Строение рибосомы
Рибосома — немембранный органоид, на котором идёт синтез белка (трансляция). Она состоит из двух субъединиц — большой и малой, каждая из которых построена из рибосомных РНК (рРНК) и белков.
| Признак | Рибосома бактерий (70S) | Рибосома эукариот (80S) |
|---|---|---|
| Малая субъединица | 30S: 16S рРНК + около 21 белка | 40S: 18S рРНК + около 33 белков |
| Большая субъединица | 50S: 23S и 5S рРНК + около 33 белков | 60S: 28S, 5,8S и 5S рРНК + около 47 белков |
| Доля РНК по массе | Около 2/3 | Около 1/2 |
| Где собирается | В цитоплазме | В ядрышке (субъединицы), затем выходят в цитоплазму |
Буква «S» означает единицу Сведберга — меру скорости осаждения при центрифугировании; она зависит не только от массы, но и от формы частицы, поэтому значения не складываются.
В рибосоме различают функциональные участки: в малой субъединице — декодирующий центр, где проверяется соответствие кодона мРНК и антикодона тРНК; в большой — пептидилтрансферазный центр, где образуется пептидная связь, и выходной туннель длиной около 10 нм, по которому растущая белковая цепь выходит наружу. Для тРНК есть три места: А (для приходящей аминоацил-тРНК), Р (для тРНК с растущей цепью) и Е (для уходящей тРНК).
2. Как работает рибосома
- Инициация. Малая субъединица связывается с мРНК и находит стартовый кодон АУГ; к нему присоединяется первая тРНК с метионином; затем присоединяется большая субъединица.
- Элонгация. В место А приходит тРНК, антикодон которой комплементарен очередному кодону. В пептидилтрансферазном центре растущая цепь переносится с тРНК в месте Р на аминокислоту тРНК в месте А — образуется пептидная связь. Затем рибосома сдвигается на один кодон (транслокация), освободившаяся тРНК уходит через место Е. На каждый шаг расходуется энергия ГТФ.
- Терминация. Когда в место А попадает стоп-кодон, к нему присоединяется белок-фактор освобождения, и готовая цепь отделяется. Субъединицы расходятся.
Рибосома бактерий присоединяет около 15–20 аминокислот в секунду и ошибается примерно один раз на 10 тысяч аминокислот.
3. Как увидели рибосому
Рибосомы увидел в электронный микроскоп в 1955 году Джордж Паладе (Нобелевская премия 1974 года). Но чтобы понять, как они работают, нужно было узнать расположение каждого атома. Для этого используют рентгеноструктурный анализ: молекулы выстраивают в кристалл и изучают, как он рассеивает рентгеновские лучи. Рибосома — огромная (около 2,5 млн дальтон у бактерий) и гибкая частица, её кристаллы долго не удавалось получить.
Ада Йонат с начала 1980-х годов работала с рибосомами бактерий из экстремальных условий — термофилов и галофилов, — которые устойчивее обычных, и первой получила пригодные кристаллы. В 2000 году группы Томаса Стейца (большая субъединица археи-галофила) и Венкатрамана Рамакришнана (малая субъединица термофильной бактерии) получили структуры атомного разрешения. Все трое получили Нобелевскую премию по химии 2009 года. Большой вклад в изучение рибосомы внёс и отечественный биохимик Александр Сергеевич Спирин, основатель Института белка РАН в Пущине.
4. Рибосома — рибозим
Главный вывод структурных работ 2000 года: в пептидилтрансферазном центре нет белков — ближайший белок находится на расстоянии около 1,8 нм от места реакции. Образование пептидной связи катализирует рРНК большой субъединицы. Рибосома — рибозим (см. статью «Рибозимы»).
Как РНК ускоряет реакцию? Главное — точное расположение: рРНК удерживает концы двух тРНК так, что аминогруппа новой аминокислоты оказывается точно напротив связи, которую нужно атаковать. Кроме того, в реакции участвует 2′-OH-группа последнего нуклеотида самой тРНК. Рибосома ускоряет реакцию примерно в 10 миллионов раз.
Этот факт имеет эволюционное значение: если бы белки были необходимы для синтеза белка, первая рибосома не могла бы возникнуть. Поскольку катализ осуществляет РНК, первые пептиды могла синтезировать РНК без белков.
5. Археология рибосомы: слои
Сравнив рРНК бактерий, архей и эукариот, исследователи заметили: в центре рибосомы лежит общее ядро, почти одинаковое у всех организмов, а снаружи — участки, разные у разных групп. Это напоминает срез дерева с годичными кольцами или раскопки, где нижние слои древнее верхних.
Ещё одна подсказка — способ, которым участки рРНК «вставлены» друг в друга. Новый участок РНК, добавляясь к существующей структуре, образует характерный стык; старый участок при этом не нарушается. По таким стыкам группа Лорена Уильямса (Технологический институт Джорджии) в 2014 году восстановила порядок «наращивания» рРНК:
- Проторибосома. Небольшая структура из РНК вокруг пептидилтрансферазного центра, способная соединять аминокислоты в короткие цепочки. Ада Йонат обратила внимание, что эта область рРНК почти симметрична, как будто образована двумя одинаковыми половинками — возможно, вначале это были две одинаковые молекулы РНК.
- Туннель и места для тРНК. К центру добавились участки, удерживающие тРНК и образующие начало выходного туннеля.
- Малая субъединица. Появление малой субъединицы и декодирующего центра позволило связывать синтез пептида с последовательностью мРНК — возник генетический код.
- Общее ядро. К моменту жизни последнего общего предка всех организмов рибосома уже имела почти современное ядро.
- Расширения у эукариот. У эукариот к общему ядру добавились дополнительные участки рРНК («сегменты расширения») и белки, участвующие в регуляции.
Таким образом, рибосома не возникла сразу, а «нарастала» слоями от древнего каталитического центра к периферии.
6. Когда появились рибосомные белки
Рибосомные белки — одни из самых древних белков. Около 30 из них общие для всех доменов жизни. У многих рибосомных белков есть две части: компактный глобулярный домен на поверхности рибосомы и длинный неупорядоченный «хвост», проникающий глубоко в рРНК. Хвосты, богатые положительно заряженными аминокислотами, нейтрализуют отрицательный заряд фосфатов РНК и скрепляют её складки.
Порядок наращивания показывает, что белки добавлялись к уже существующей структуре рРНК, а самые древние из них связаны с самыми древними участками рРНК. Это поддерживает представление о «РНК-пептидном мире»: короткие пептиды, синтезированные проторибосомой, могли стабилизировать саму РНК, и так возникло взаимовыгодное сотрудничество РНК и белков.
7. Рибосомы разных организмов
- Бактерии и археи — рибосомы 70S, но белки и рРНК архей во многом ближе к эукариотическим.
- Эукариоты — рибосомы 80S в цитоплазме и на ЭПС.
- Митохондрии и пластиды — рибосомы бактериального типа, доставшиеся от бактерий-предков. Митохондриальные рибосомы животных сильно изменились: в них меньше РНК и больше белков, чем у бактерий.
Ген рРНК малой субъединицы (16S у бактерий, 18S у эукариот) есть у всех организмов и изменяется медленно, поэтому по нему строят древо жизни. Именно сравнение этих генов позволило Карлу Вёзе выделить археи как самостоятельный домен.
Повторить синтез белка можно в статье «РНК», в уроке «Транскрипция и трансляция» и в тренажёре по теме 2.5.
8. Рибосома и антибиотики
Многие важнейшие антибиотики действуют на бактериальную рибосому. Структуры рибосомы позволили увидеть, где именно они связываются:
| Антибиотик | Место связывания | Действие |
|---|---|---|
| Стрептомицин | Декодирующий центр малой субъединицы | Нарушает проверку кодона, вызывает ошибки трансляции |
| Тетрациклины | Малая субъединица, место А | Мешают тРНК занять место А |
| Хлорамфеникол (левомицетин) | Пептидилтрансферазный центр | Блокирует образование пептидной связи |
| Эритромицин | Выходной туннель | Закупоривает туннель, синтез обрывается |
Различия рибосом бактерий и эукариот позволяют этим препаратам действовать избирательно (см. статью «Как работают антибиотики»). Сходство митохондриальных рибосом с бактериальными объясняет некоторые побочные эффекты (см. «Антибиотики и митохондрии»).
Частые ошибки. 1) «Рибосома — мембранный органоид» — немембранный. 2) «Пептидную связь образуют белки рибосомы» — её катализирует рРНК. 3) «70S = 30S + 50S, значит, единицы S складываются» — не складываются: они зависят от формы. 4) «Рибосомы есть только в цитоплазме» — ещё на ЭПС, в митохондриях и пластидах.
9. Для олимпиад
Как рибосома отличает правильную тРНК
Энергия спаривания трёх пар оснований недостаточна, чтобы объяснить точность 1 ошибка на 10 тысяч. Рибосома использует два приёма. Во-первых, нуклеотиды рРНК малой субъединицы «ощупывают» малую бороздку двойной спирали кодон-антикодон и проверяют её форму: правильная пара Уотсона — Крика в первых двух положениях кодона имеет определённую геометрию. Во-вторых, проверка идёт дважды — до и после расщепления ГТФ (кинетическая корректура, гипотеза Джона Хопфилда, 1974): неправильная тРНК успевает уйти на любом из этапов.
Почему эволюция не заменила рРНК белком
Каталитический центр рибосомы окружён десятками белков и участков РНК, которые связаны с ним тысячами контактов. Любая замена центра потребовала бы одновременного изменения всего окружения — такие изменения почти всегда вредны. Поэтому древний РНК-центр «законсервирован» и сохранился у всех живых организмов, как самые нижние слои фундамента, которые невозможно заменить, не разрушив здание.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Из каких частей состоит рибосома? Где у эукариот собираются её субъединицы?
Разбор
1) Из большой и малой субъединиц, каждая состоит из рРНК и белков. 2) рРНК синтезируются в ядрышке, белки — в цитоплазме, затем переносятся в ядро. 3) Субъединицы собираются в ядрышке и выходят в цитоплазму через ядерные поры; полная рибосома образуется на мРНК.
Задание 2
Какие функции выполняют малая и большая субъединицы рибосомы?
Разбор
1) Малая субъединица связывает мРНК и проверяет соответствие кодона и антикодона тРНК (декодирующий центр). 2) Большая субъединица катализирует образование пептидной связи (пептидилтрансферазный центр) и содержит туннель, по которому выходит белковая цепь.
Задание 3
Почему открытие того, что пептидную связь в рибосоме образует рРНК, важно для гипотез о происхождении жизни?
Разбор
1) Если бы синтез белка катализировали белки, первая рибосома не могла бы возникнуть без белков, синтезированных другой рибосомой. 2) Поскольку катализатор — РНК, первые пептиды могла синтезировать РНК. 3) Это поддерживает гипотезу мира РНК, в котором РНК была и носителем информации, и катализатором.
Задание 4
Почему хлорамфеникол подавляет синтез белка у бактерий, а эритромицин приводит к образованию коротких оборванных белков?
Разбор
1) Хлорамфеникол связывается в пептидилтрансферазном центре и не даёт образоваться ни одной новой пептидной связи — синтез останавливается сразу. 2) Эритромицин связывается в выходном туннеле: синтез начинается, но цепь длиной в несколько аминокислот упирается в антибиотик, и рибосома отпускает короткий пептид.
Задание 5 (олимпиадное)
Ядро рибосомы почти одинаково у бактерий, архей и эукариот, а внешние участки рРНК различаются. Какой вывод о происхождении рибосомы можно сделать? Как определить, какие участки рРНК древнее?
Разбор
1) Общее ядро существовало уже у последнего общего предка всех организмов; внешние участки добавились позже, независимо в разных ветвях. 2) Древность участков определяют по их распространённости (общие для всех доменов — древнейшие), по положению (центральные древнее периферических) и по характеру стыков: новый участок встраивается в старый, не нарушая его структуры. 3) Самым древним оказывается пептидилтрансферазный центр из РНК, вокруг которого рибосома «нарастала» слоями.
Литература
- Спирин А. С. Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка. — М.: Академия, 2011.
- Ban N. et al. The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution // Science. 2000. Vol. 289. P. 905–920.
- Nissen P. et al. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis // Science. 2000. Vol. 289. P. 920–930.
- Petrov A. S. et al. Evolution of the ribosome at atomic resolution // PNAS. 2014. Vol. 111. P. 10251–10256.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…