Рибосоми: що це за структури і як вони збирають білки
Рибосоми — це маленькі комплекси в кожній клітині, які збирають білки з окремих амінокислот. Вони читають інформацію з матричної РНК і з’єднують амінокислоти в ланцюг у правильному порядку. Без цього клітина не може оновити свої білки, поділитися чи навіть підтримувати базову життєдіяльність. Тому рибосоми однаково цікавлять школярів, студентів-біологів, медиків і біотехнологів, які працюють з вакцинами та рекомбінантними білками.
Якщо порівняти клітину з невеликим виробництвом, рибосоми — це конвеєр, на якому з деталей-амінокислот збирається готовий виріб-білок. У кишкової палички їх кілька тисяч, а в клітинах людської печінки — сотні тисяч, у найактивніших — до мільйона. Це наймасовіші білкові комплекси в живій клітині, і загальна маса рибосом становить помітну частку її сухої маси.
Нижче — структурований матеріал: від простого пояснення до деталей будови і функцій. Текст буде корисний школярам, які готуються до ЗНО з біології, студентам-медикам і біологам перших курсів, а також усім, хто цікавиться, як влаштована клітина зсередини.
Що таке рибосоми простими словами
Рибосоми — це немембранні органели. На відміну від мітохондрій чи лізосом, вони не оточені ліпідною оболонкою, а є щільними комплексами з рибосомної РНК (рРНК) і рибосомних білків. Разом вони працюють як молекулярна машина для синтезу білка. Процес побудови білка на рибосомі називають трансляцією.
Кожна рибосома складається з двох частин — великої та малої субодиниці. У стані спокою вони розділені, а під час роботи з’єднуються навколо ланцюга матричної РНК. Мала субодиниця «читає» кодон за кодоном мРНК, а велика — каталізує утворення пептидного зв’язку між амінокислотами. Транспортні РНК (тРНК) підвозять амінокислоти і впізнають потрібний кодон завдяки своєму антикодону.
Рибосоми вважають рибозимами. Це означає, що каталітичну функцію — утворення пептидного зв’язку — виконує не білок, а саме рРНК. Така особливість робить рибосому одним із найдавніших молекулярних механізмів у живій природі: подібні комплекси, імовірно, існували ще в останнього спільного предка всіх клітин.
Розмір рибосом вимірюють в одиницях Сведберга (S). Це швидкість седиментації під час ультрацентрифугування, яка залежить від маси, форми і щільності частинки. У прокаріотів рибосоми мають коефіцієнт 70S (велика субодиниця 50S, мала — 30S), у еукаріотів — 80S (60S і 40S відповідно).
Будова рибосоми: велика і мала субодиниці
Хоча рибосоми прокаріотів і еукаріотів дуже схожі за принципом, вони різняться за розміром і кількістю компонентів. У бактерій рибосома містить три молекули рРНК і близько 55 білків, у еукаріотів — чотири молекули рРНК і понад 80 білків. Наприклад, рибосома дріжджів Saccharomyces cerevisiae складається з 79 рибосомних білків і чотирьох різних молекул рРНК.
Мала субодиниця відповідає за зв’язування мРНК і правильне зчитування кодонів. На ній розташований декодувальний центр, де відбувається перевірка комплементарності між кодоном мРНК і антикодоном тРНК. Велика субодиниця містить пептидилтрансферазний центр (PTC), де утворюється пептидний зв’язок, а також канал для виходу синтезованого поліпептидного ланцюга.
| Характеристика | Прокаріоти (бактерії, археї) | Еукаріоти (рослини, тварини, гриби) |
|---|---|---|
| Загальний коефіцієнт седиментації | 70S | 80S |
| Велика субодиниця | 50S | 60S |
| Мала субодиниця | 30S | 40S |
| Кількість молекул рРНК | 3 (5S, 16S, 23S) | 4 (5S, 5.8S, 18S, 28S) |
| Приблизна кількість білків | ~55 | ~80 |
| Типова локалізація | цитоплазма | цитоплазма, ЕПР, мітохондрії, хлоропласти |
Окремо варто згадати міторибосоми та рибосоми хлоропластів. Це спеціалізовані рибосоми всередині власних органел, які за розміром і складом ближчі до прокаріотичних. Вони синтезують білки, закодовані в мітохондріальній і хлоропластній ДНК. Без власних рибосом ці органели не можуть підтримувати свою роботу і передавати сигнали в цитоплазму.
Біогенез еукаріотичних рибосом — складний багатоступеневий процес, який відбувається переважно в ядерці. Спочатку зчитується рибосомна ДНК, утворюється попередник рРНК, він процесингується, додаються білки, формуються окремі субодиниці, які потім транспортуються в цитоплазму. Збої на будь-якому етапі можуть бути летальними для клітини.
Цікаво, що окремі етапи складання рибосом у людей контролюють понад 200 різних факторів — від малих ядерних РНК до шаперонів, які допомагають білкам набути правильної форми. Мутації в генах цих факторів пов’язують із так званими рибосомопатіями — спадковими захворюваннями, при яких порушується саме складання рибосом, а не їхня безпосередня функція.
Центри зв’язування РНК: як рибосома «читає» інформацію
Рибосома має чотири основні сайти зв’язування для молекул РНК: один для мРНК і три для тРНК. Ці три сайти часто називають за першими літерами, і кожен із них виконує свою функцію під час елонгації — нарощування поліпептидного ланцюга.
А-сайт (аміноацил-сайт) приймає тРНК, «заряджену» наступною амінокислотою, відповідно до кодону, який зараз знаходиться в декодувальному центрі. P-сайт (пептидил-сайт) утримує тРНК, до якої прикріплений ростучий поліпептидний ланцюг. E-сайт (exit-сайт, сайт виходу) приймає вже порожню тРНК, яка передала свою амінокислоту і тепер залишає рибосому.
Сайт зв’язування мРНК знаходиться в малій субодиниці. У бактерій мРНК «нанизується» на рибосому завдяки взаємодії між послідовністю Шайна — Дальгарно на мРНК і комплементарною ділянкою 16S рРНК. У еукаріотів механізм дещо інший: мала субодиниця «шукає» кеп-структуру на 5′-кінці мРНК і сканує послідовність до стартового кодону AUG.
Коли правильна тРНК займає А-сайт, рибосома каталізує перенесення поліпептидного ланцюга з P-сайту на амінокислоту в А-сайті. Далі рибосома робить транслокацію — переміщується на один кодон вздовж мРНК. тРНК, яка була в А-сайті, переходить у P-сайт, порожня тРНК зсувається в E-сайт і залишає рибосому, а А-сайт звільняється для нової тРНК.
Локалізація рибосом: вільні, прикріплені і полісоми
У цитоплазмі рибосоми можуть перебувати у вільному стані або прикріплюватися до мембран ендоплазматичного ретикулуму (ЕПР). Вільні рибосоми зазвичай синтезують білки для внутрішніх потреб клітини: цитозольні ферменти, білки цитоскелету, ядерні білки. Прикріплені рибосоми синтезують білки, які мають сигнальну послідовність і призначені для секреції, для вбудовування в мембрани або для інших компартментів клітини.
Розпізнавання «адреси» білка відбувається за допомогою спеціального рибонуклеопротеїну SRP (Signal Recognition Particle). Коли з рибосоми починає виходити ділянка з сигнальною послідовністю, SRP зв’язується з нею і доставляє рибосому на рецептор ЕПР. Далі синтез білка продовжується, але поліпептидний ланцюг одразу потрапляє в просвіт ЕПР або в мембрану.
Сучасні дані показують, що частка рибосом, прикріплених до ЕПР, може бути суттєво більшою, ніж вважали раніше. У клітинній лінії HEK-293 приблизно половина рибосом асоційована з ЕПР, хоча значна частина мРНК, які вони транслюють, кодує цитозольні білки. Зв’язок рибосом з ЕПР регулюється складніше, ніж лише наявністю сигнальної послідовності, і механізми цієї регуляції ще досліджуються. Детальніше про загальну будову і локалізацію цих комплексів можна дізнатися з матеріалу про рибосому в українській Вікіпедії, де зібрані відомості про субодиниці, полісоми і прикріплені рибосоми.
Окреме явище — полісоми, або полірибосоми. Це комплекси з кількох рибосом, які одночасно транслюють одну і ту ж мРНК. Така організація дозволяє клітині швидко нарощувати кількість білка з однієї матриці. Полісоми часто можна побачити і у вільному стані, і на мембранах ЕПР — залежно від типу білка, який вони синтезують. На одній мРНК середнього розміру зазвичай «сидить» від 3 до 10 рибосом одночасно, а на коротких матрицях їх може бути і більше десятка.
Історія відкриття і ключові дати
Рибосоми відкрили на початку 1950-х років завдяки розвитку електронної мікроскопії та методу диференціального центрифугування. Перше систематичне дослідження і опис рибосом як окремих клітинних структур здійснив румунсько-американський цитолог Джордж Паладе. Саме тому деякий час рибосоми називали «частинками Паладе».
У 1958 році ці структури перейменували в рибосоми через високий вміст рибонуклеїнової кислоти. Назва походить від «ribo» (рибонуклеїнова кислота) і «soma» (тіло, частинка). Тоді ж стало зрозуміло, що рибосоми — це не артефакт фіксації, а реальні функціональні комплекси клітини.
Роль рибосом у біосинтезі білка встановили в 1960-х роках. Саме тоді з’явилися класичні експерименти, які показали, що рибосоми каталізують утворення пептидного зв’язку між амінокислотами. За свої дослідження Паладе отримав Нобелівську премію з фізіології і медицини у 1974 році.
Структурну епоху у вивченні рибосом відкрили роботи 2000-х років. Атомну структуру великої субодиниці 50S архейного організму Haloarcula marismortui опублікували N. Ban та колеги в журналі Science 11 серпня 2000 року. Незабаром, 21 вересня 2000 року, B. T. Wimberly з колегами представили в Nature структуру малої субодиниці 30S бактерії Thermus thermophilus. А вже у травні 2001 року M. M. Yusupov та колеги реконструювали повну 70S-рибосому Thermus thermophilus і опублікували її в Science.
У 2009 році професор Джордж Чьорч та його команда з Гарварду створили повністю функціональну штучну рибосому. Як будівельні блоки використали молекули з кишкової палички, розщеплені за допомогою ферментів. Ця синтетична рибосома успішно синтезувала білок, відповідальний за біолюмінесценцію. А в липні 2015 року вдалося синтезувати першу повністю синтетичну рибосому, в якій велику і малу субодиниці зв’язали в одну молекулу через конструкцію Ribo-T. Така рибосома працювала не тільки in vitro, а й підтримувала ріст E. coli в умовах, де нативні рибосоми були відсутні.
Функції рибосом у клітині і в організмі
Головна функція рибосом — трансляція генетичної інформації, закодованої в мРНК, у послідовність амінокислот. Фактично рибосома виконує подвійну роль: з одного боку, це структурна платформа, де відбувається декодування мРНК і правильне позиціонування тРНК, а з іншого — каталітичний центр, де формується пептидний зв’язок.
Для еукаріотів важлива також функція «сортування» білків. Рибосоми, прикріплені до ЕПР, синтезують секреторні білки, білки плазматичної мембрани, лізосомні білки та білки, що транспортуються в інші органели. Вільні рибосоми в цитозолі синтезують білки для внутрішнього використання: ферменти гліколізу, білки цитоскелету, ядерні білки.
Через це рибосоми мають значення і в медицині. Багато антибіотиків діють саме на бактеріальні рибосоми: вони пригнічують бактеріальну трансляцію, не зачіпаючи еукаріотичні рибосоми. До таких препаратів належать, наприклад, аміноглікозиди, тетрацикліни, макроліди і хлорамфенікол. Саме тому рибосоми залишаються об’єктом активних досліджень у фармакології.
Генетичні дефекти рибосомних білків і факторів біогенезу рибосом зазвичай летальні на ранніх ембріональних стадіях розвитку вищих організмів. У Drosophila melanogaster відомі мутації minute, які зачіпають рибосомні білки і дають характерний фенотип: знижена швидкість мітозу, зменшений розмір тіла, знижена фертильність, короткі війки. Є також дані, які пов’язують ракову трансформацію клітин ссавців із розладами трансляційної системи і біогенезу рибосом.
Цікавий приклад — синдром Трейчера Коллінза, при якому порушується біогенез рибосом у клітинах нервового гребеня. У пацієнтів спостерігають недорозвинення кісток обличчя і середнього вуха, хоча загальний синтез білка в організмі тривалий час залишається відносно нормальним. Це показує, що для окремих типів клітин навіть невелике зниження кількості «робочих» рибосом має відчутні наслідки.
Чим рибосоми відрізняються у прокаріотів і еукаріотів
Хоча принцип роботи рибосом однаковий у всіх живих систем, конкретні деталі помітно різняться. У бактерій рибосоми менші (70S), містять менше білків і компактніші. Це відкриває можливість для точкового втручання антибіотиків, які блокують саме бактеріальну трансляцію і не шкодять рибосомам людини.
У еукаріотів рибосоми більші (80S), містять більше білків і додаткові рРНК, а також розраховані на складнішу регуляцію: кеп-структуру на мРНК, сканування, можливість альтернативного сплайсингу. Через це еукаріотичні рибосоми гірше піддаються прямому фармакологічному інгібуванню без побічних ефектів.
Ще одна особливість еукаріотів — наявність рибосом у власних органелах. Міторибосоми в мітохондріях і рибосоми хлоропластів за розміром ближчі до бактеріальних (55–70S), мають власну ДНК і власну систему синтезу білка. Це одна з ключових ознак ендосимбіотичної теорії походження цих органел.
Відмінності є і в регуляції ініціації трансляції. У бактерій стартовий комплекс формується за участю трьох факторів ініціації (IF1, IF2, IF3), а в еукаріотів — більше десятка (eIF1, eIF1A, eIF2, eIF3, eIF4F та інші). Це робить еукаріотичну ініціацію повільнішою, але значно гнучкішою: клітина може точніше реагувати на стрес, брак амінокислот або сигнали від сусідніх клітин.
| Ознака | Вільні рибосоми | Прикріплені рибосоми (до ЕПР) |
|---|---|---|
| Локалізація | Цитозоль | Поверхня ендоплазматичного ретикулуму |
| Типові продукти | Цитозольні білки, ядерні білки, білки мітохондрій | Секреторні білки, мембранні білки, лізосомні білки |
| Як потрапляють на ЕПР | — | SRP-система розпізнає сигнальну послідовність білка |
| Структурні відмінності | Ні (субодиниці однакові) | Ні (різниця лише в локалізації під час синтезу) |
Цікаві факти про рибосоми
- Рибосоми становлять близько 30% загальної маси клітини бактерії і кілька відсотків сухої маси еукаріотичної клітини — це один із наймасовіших білкових комплексів у живій природі.
- Каталітичну функцію в рибосомі виконує не білок, а рРНК. Тому рибосома — це рибозим, тобто молекула РНК, здатна прискорювати хімічну реакцію.
- Рибосомні РНК становлять понад 80% усієї РНК клітини. Саме тому загальний вміст РНК у клітині дуже високий — на нього припадає значна частина клітинної маси.
- Рибосоми здатні помилятися приблизно 1 раз на 10 000 амінокислот, але спеціальні механізми контролю якості знижують реальну частку помилок у білках ще на порядок.
- Рибосомні гени дуже консервативні: рРНК бактерій і людини настільки схожі, що їх використовують як молекулярний годинник для вивчення еволюційних зв’язків між організмами.
Рибосоми і сучасна біотехнологія
Розуміння роботи рибосом відкриває практичні можливості в біотехнології та медицині. На рибосомах побудована технологія рекомбінантних білків. У клітини бактерій, дріжджів або ссавців вводять ген потрібного білка, і клітинні рибосоми починають виробляти цей білок у промислових масштабах. Так виробляють інсулін, фактори згортання крові, моноклональні антитіла, вакцини.
Рибосоми є мішенню для багатьох антибіотиків. Знання точних структур бактеріальних і еукаріотичних рибосом дозволяє розробляти препарати, які діють вибірково на бактерії, не зачіпаючи клітини людини. Це робить рибосоми однією з найважливіших мішеней у сучасній антимікробній терапії.
Розвиток синтетичної біології вже дозволяє створювати штучні рибосоми зі зміненими властивостями. Наприклад, у дослідах із Ribo-T вдалося об’єднати велику і малу субодиниці в одну молекулу, що дає змогу вивчати окремі етапи трансляції точніше. У перспективі це може допомогти створювати рибосоми, які синтезують білки з нестандартними амінокислотами — потенційно для нових ліків і біоматеріалів.
Окремий напрям — використання рибосом як індикаторів стану клітини. За кількістю рибосом, їхньою локалізацією і рівнем рибосомної РНК можна оцінювати метаболічну активність клітини, її злоякісну трансформацію, відповідь на стрес. Тому рибосоми цікавлять не тільки біохіміків, а й клінічних діагностів.
Ще один практичний аспект — розробка вакцин нового покоління. Деякі мРНК-вакцини створені так, щоб певні ділянки мРНК краще розпізнавалися рибосомами клітин людини: підбирають оптимальну послідовність навколо стартового кодону, стабілізують вторинну структуру 5′-кінця, контролюють вміст рідкісних кодонів. Усе це — практичне застосування знань про те, як саме рибосома «читає» матрицю.
Поширені запитання
Чи є рибосома органелою?
Рибосому часто називають немембранною органелою. Вона не оточена ліпідною мембраною, як мітохондрії чи лізосоми, але функціонально це самостійна клітинна структура, яка виконує чітко визначену функцію — синтез білка.
Скільки рибосом у клітині людини?
Кількість рибосом залежить від типу клітини. У клітинах, що активно синтезують білки (наприклад, у клітинах печінки або підшлункової залози), їх сотні тисяч і навіть мільйони. У менш активних клітинах — десятки тисяч. Загалом рибосомні білки становлять значну частку всіх клітинних білків.
Чим рибосоми бактерій відрізняються від рибосом людини?
Головні відмінності — у розмірі і складі. Бактеріальні рибосоми мають коефіцієнт 70S і складаються з 3 молекул рРНК і близько 55 білків. Еукаріотичні — 80S, містять 4 молекули рРНК і понад 80 білків. Завдяки цим відмінностям антибіотики можуть прицільно блокувати бактеріальні рибосоми, не зачіпаючи людські.
Чи правда, що рибосома — це рибозим?
Так, це одна з небагатьох клітинних «машин», де каталітичну функцію виконує молекула РНК, а не білок. Утворення пептидного зв’язку між амінокислотами відбувається в пептидилтрансферазному центрі, утвореному рРНК. Це підтверджує гіпотезу світу РНК на ранніх етапах еволюції життя.
Де в клітині знаходяться рибосоми?
Рибосоми зустрічаються в цитоплазмі (у вільному стані і на мембранах ЕПР), у мітохондріях і у хлоропластах. У еукаріотів біогенез рибосом починається в ядерці, де збираються їхні субодиниці, а потім вони виходять у цитоплазму через ядерні пори.
Чому рибосоми такі важливі для антибіотиків?
Багато антибіотиків зв’язуються саме з бактеріальними рибосомами і блокують трансляцію в бактеріальних клітинах, не пошкоджуючи клітини людини. Чим точніше відомо, як влаштована бактеріальна рибосома в атомних деталях, тим краще можна підбирати нові антимікробні препарати і боротися з антибіотикорезистентністю.
Чи можна побачити рибосоми у звичайний мікроскоп?
Ні, розмір рибосом — близько 20–30 нанометрів, тому їх видно лише в електронний мікроскоп. У шкільному світловому мікроскопі можна спостерігати лише скупчення рибосом у вигляді гранул або смуг, але не окремі рибосоми.
Скільки білків може синтезувати одна рибосома за хвилину?
За оптимальних умов рибосома додає в середньому від 5 до 20 амінокислот за секунду, тобто приблизно 300–1000 амінокислот за хвилину, залежно від білка і типу клітини. Швидкість залежить від вторинної структури мРНК, доступності тРНК і багатьох регуляторних факторів.
Що буде з клітиною, якщо рибосоми зупиняться?
Якщо робота рибосом повністю зупиняється, клітина втрачає здатність оновлювати білки. Першими страждають білки з коротким часом життя — фактори транскрипції, цикліни, білки сигнальних каскадів. Через кілька годин порушуються практично всі процеси: від поділу до відповіді на стресові сигнали. Саме тому інгібітори рибосом використовують як зброю проти ракових клітин, які дуже залежать від постійного синтезу білка.
Чи можуть рибосоми працювати поза клітиною?
Так, у лабораторних умовах рибосоми виділяють із клітин і використовують у безклітинних системах синтезу білка. У таких системах є всі необхідні компоненти — рибосоми, тРНК, амінокислоти, фактори трансляції, АТФ — і мРНК як матриця. Це дозволяє виробляти білки без живих клітин, що зручно для синтезу токсичних для клітини речовин, нестандартних білків або для тестування ліків.
