Рибосоми їх структура і хімічний склад

У 50-ті роки ХХ ст. в дослідженнях П.Замечника та інших авторів було показано, що біосинтез білків відбувається в невеликих субклітинних утвореннях, які отримали назву рибосом. Останні було знайдено в усіх клітинах прокаріотів і еукаріотів. Великий внесок у дослідження структури й функції рибосом зробив російський вчений О.С.Спірін. Якщо виділити рибосоми шляхом диференційного центрифугування й роздивитися під електронним мікроскопом, то їх видно як щільні округлі гранули сферичної форми, які складаються із двох субодиниць: великої і малої. Рибосоми характеризуються коефіцієнтом або константою седиментації, яка визначається ультрацентрифугуванням і позначається літерою Б (одиниця Сведберга, 11013 с). За розмірами й молекулярною масою всі рибосоми поділяють на три групи. Першу групу утворюють відносно дрібні бактеріальні рибосоми. Рибосоми прокаріотів мають константу седиментації 70 одиниць Сведберга і позначаються 70s. Вони дисоціюють на дві суб-одиниці (30 s і 50s

Другу групу утворюють великі рибосоми еукаріотичних клітин. Во-мають константу седиментації 80Б і складаються із двох субодиниць: 40s і 60s

Третю групу складають рибосоми мітохондрій і хлоропластів еукаріотичних клітин. Рибосоми мітохондрій належать до класу 708, однак вони відзрізняються коефіцієнтом седиментації в різних груп еукаріотів. Так, у грибів він складає 70-748, у вищих тварин - 55-608, у вищих рослин - близько 808. Рибосоми хлоропластів однорідніші за цією ознакою, коефіцієнт їхньої седиментації дорівнює 67-708.

В основному рибосоми зображують у вигляді симетричної фігури, в якій 30s субчастинка лежить на 50s-субодиниці, яка має подібну до сфери форму. На основі рентгеноструктурного аналізу й електронно-мікроскопічних методів було доведено, що тривимірна структура частин рибосом дуже складна. Мала субчастинка вигнута у вигляді телефонної трубки, а більша нагадує ківш (рис.77). За формою субчастинки відповідають одна одній, хоча між ними залишається щілина. Через щілину проходить молекула мРНК, уздовж якої в процесі біосинтезу білка рухається рибосома. Із цієї щілини з'являється і новосинтезований поліпептидний ланцюг.

Рибосоми 80S побудовані складніше, в них міститься більше білків, а це певним чином відображається на їх функції.

До складу рибосом входять рРНК, білки, низькомолекулярні сполуки: ди- і поліаміни, різні солі, іони двовалентних металів Мg2+.

Рибосомні РНК утворюють каркас, із яким сполучаються білки, утворюючи компактний рибонуклеопротеїновий комплекс.

Вторинна структура рРНК утворюється за рахунок коротких двоспіральних ділянок молекули (шпильок). Близько 2/3 рРНК організовано в шпильки, решта молекули представлена однонитковими або «аморфними» ділянками, де зосереджені пуринові основи. Із «аморфними» ділянками сполучені переважно білки рибосом.

Білковий склад рибосом гетерогенний. Молекулярна маса рибосом-них білків варіює від 5000-7000 до 50000-75000. Набір білків у субодини-цях різноманітний. Кожен білок рибосоми унікальний, тобто представлений однією молекулою.

Етапи біосинтезу білків

1. Активація амінокислот, сполучення їх із тРНК та перенос до рибосом.

Цей процес йде в одну стадію, але для зручності й кращого тлумачення його розбивають на два етапи.

а ) Активування амінокислот - утворення аміноациладенілатів.

Амінокислоти в цитоплазмі знаходяться в неактивному стані. Вони активуються за карбоксильною групою завдяки енергії АТФ, у присутності солей ІУ^2+ за допомогою спеціальних ферментів амі-ноацил-тРНК-синтетаз, що позначаються скорочено АРСази. Ці ферменти забезпечують обидва етапи процесу - активацію амінокислот і з'єднання їх із тРНК. Кожен фермент виявляє подвійну специфічність: до певної амінокислоти і до відповідної їй тРНК.

Спочатку, внаслідок взаємодії АТФ з амінокислотою, утворюється сполучений із ферментом проміжний продукт - аміноациладе-нілат, тобто змішаний ангідрид двох кислот: амінокислоти й АТФ. При цьому СООН-група амінокислоти сполучається ангідридним зв'язком із 5'-фосфатною групою АМФ із виділенням пірофосфату і утворенням макроергічного зв'язку, енергія якого використовується в подальшому для утворення пептидного зв'язку.

б) Перенесення аміноациладенілатів до місця синтезу білка - до рибосом.

Активовані амінокислоти повинні переноситися до рибосом. Це перенесення здійснюється тРНК.

Транспортні РНК - найбільш низькомолекулярні РНК, полі-нуклеотидний ланцюг їх складається в середньому з 75-90 нуклео-тидів, М.м.=23000-30000, вони розчинні у воді, тому їх ще позначають Б-РНК. На їх частку припадає 10-20\% сумарної РНК клітин. Їх основна роль полягає в тому, щоб транспортувати амінокислоти до рибосом з наступним утворенням поліпептидного ланцюга, тобто тРНК виконує роль адаптора - своєрідного посередника між послідовністю нуклеотидів мРНК та послідовністю амінокислотних залишків у білковій молекулі, оскільки між кодонами мРНК й амінокислотами неможливі специфічні взаємодії за типом нуклеотидних пар (А...Т, Г...Ц). Кожна тРНК зв'язується з одного боку комплементарно з мРНК, а з другого - з певною амінокислотою. Різновидів тРНК стільки, скільки амінокислот, тобто кожна з 20 амінокислот має свою тРНК, а деякі й більше. Наприклад, існують п'ять різних тРНК, які переносять серин. Всього ж у клітині присутні близько 60 різновидів тРНК.

У всіх тРНК знайдено, крім чотирьох звичайних рибонуклеотидів (А, Г, Ц, У), 8-19\% мінорних нукле-отидів. Виявлено близько 60 мінорних основ, серед яких - різні ме-тильовані піримідини (в тому числі й тимін), аденіни, гуаніни тощо, але найрозповсюдженішими й найуніверсальнішими серед них є псе-вдоуридин і дигідроуридин:

Молекули тРНК являють собою одиночний полінуклеотидний ланцюг, який утворює складну просторову структуру. Для зручності розкриття ролі просторової конформації тРНК у процесі біосинтезу білка його зображують у вигляді «листка конюшини» (рис. 78, а).

«Листок конюшини» містить 4 спіралізовані петлі (дигідроуридинова, антикодонова, додаткова, псевдоуридинова) й 2 стебла:

Реакцію каталізує той же фермент, що й реакцію активації амінокислот - аміноацил-тРНК-синтетаза.. Частина з них побудована з одного поліпептидного ланцюга (валінова, лейцинова, ізолейцинова), інші складаються із двох, чотирьох і більше однакових субодиниць (наприклад, серинова побудована із двох субодиниць, а метіонінова - з чотирьох), а деякі містять різні за структурою субодиниці. У молекулі зазначеного ферменту є дві специфічні ділянки (активні центри), завдяки яким він «впізнає» «свою» амінокислоту і «свою» тРНК.

Процес «впізнавання» і приєднання АРСазами амінокислоти й тРНК називають рекогніцією. Для кожної з 20 амінокислот, які входять до складу білка, є своя, причому єдина аміноацил-тРНК-синтетаза, яка «впізнає» усі тРНК, що специфічні для даної амінокислоти. Такий контроль дозволяє зменшити кількість мутацій.

2. Процес трансляції на рибосомах.

Процес перекладу нуклеотидної послідовності мРНК на амінокислотну одержав назву трансляції. Трансляція складається із трьох етапів: ініціації (початок синтезу поліпептидного ланцюга), елонгації (його подовження) і термінації (завершення синтезу).

а) Ініціація трансляції

Ініціація - це одна з найважливіших і найскладніших стадій процесу трансляції.

Перед початком ініціації рибосома дисоціює. Ініціація відбувається таким чином:

1. На першому етапі 30Б-субодиниця зв'язує фактор ініціації ІF-3 і приєднується до 5'-кінця мРНК за участю фактора

2. Потім утворений комплекс сполучається з фактором ініціації ІF-2, з'єднаним із ГТФ і з ініціюючою -формілметіоніл-тРНКфмет, яка прикріплюється своїм антикодоном до ініціюючого кодону (АУГ) Мрнк.

3. На третьому етапі ініціації відбувається взаємодія цього комплексу з 508-субодиницею рибосоми; одночасно молекула ГТФ, зв'язана з Іf-2, гідролізується до ГДФ і Н3Р04, які, як і фактори ініціації, вивільняються з комплексу. Унаслідок цього утворюється функціонально активна 70Б-рибосома, яка називається ініціюючим комплексом.

В еукаріотів ініціюючою (першою) також вважається метіоніл-тРНК, проте, на відміну від такої у прокаріотів, вона не формулюється, а реагує з факторами ініціації еШ-1, еІБ-2, еШ-3, із 408-субодиницею рибосом і з мРНК. Реакції відбуваються за тією ж схемою, що й у прокаріотів. У мітохондріях і хлоропластах синтез полі-пептидного ланцюга також має риси подібності до синтезу в прокаріотів: ініціація здійснюється за допомогою тРНКфмет.

б) Стадія елонгації процесу трансляції.

При завершенні стадії ініціації в П-ділянці знаходиться ініцію-юча тРНКфмет. При цьому А-ділянка вільна, але в ній уже розташовується наступний кодон мРНК.

На першому етапі елонгації відбувається надходження другої амінокислоти, наприклад, тРНКфен до А-ділянки рибосоми і комплементарне її сполучення з кодоном мРНК (УУУ). У цьому процесі беруть участь фактори елонгації та ГТФ.

На другому етапі елонгації утворюється пептидний зв'язок в А-ділянці, де знаходиться друга аміноацил-тРНКфен. В А-ділянку з П-ділянки пересувається залишок гЧ-формілметіоніну від тРНКфмет, яка його переносить на аміногрупу фенілаланіл-тРНКфен, і утворюється перший пептидний зв'язок. У цьому процесі бере участь фермент пептидилтрансфераза. При цьому утворюється дипеп-тидил-тРНКфен (Ч-формілметіоніл-фенілаланіл-тРНКфен).

Далі (третій етап) відбувається процес транслокації - переміщення рибосоми на один кодон відносно мРНК і дипептидил-тРНКфен. Внаслідок цього переміщення дипептидил-тРНКфен потрапляє в зону пептидильного центру рибосоми, проте залишається сполученою з другим кодоном мРНК (УУУ), а тРНКфмет без N-формілме-тіоніну виштовхується з рибосоми. При транслокації бере участь позарибосомний білок - фактор елонгації - G, який називається транслоказою.

Цикл елонгації повторюється багаторазово, тобто стільки, скільки амінокислот входить до складу поліпептидного ланцюга. Швидкість елонгації велика: синтез поліпептиду з 150-200 амінокислот триває близько 1-3 хв. Залишок першої амінокислоти Ч-форміл-метіонін, або формільна група, або пептид, що містить Ч-форміл-метіонін і знаходиться з Ч-кінця ланцюга, який подовжується, відщеплюються за участю специфічних ферментів ще під час елонгації (проте у деяких білків зберігаються).

в) Стадія термінації

Елонгація завершується тоді, коли в А-ділянці з'являється один із трьох термінуючих триплетів: УАГ, УГА, УАА. Наявність їх у будь-якій ділянці мРНК обриває білковий синтез. У зоні цих триплетів за участю факторів термінації відбувається гідролітичне розщеплення зв'язку між поліпептидом і останньою тРНК. Вивільняється синтезований білок, який залишає рибосому. При цьому рибосома дисоціює на субодиниці. Термінацію синтезу білка в еукаріотів зумовлюють ті ж триплети.

На включення в поліпептид кожної амінокислоти витрачається енергія 4 високоенергетичних зв'язків (для утворення аа-тРНК необхідна енергія 2-х високоенергетичних зв'язків АТФ, і гідроліз 2-х молекул ГТФ забезпечує сполучення аа-тРНК із кодоном і трансло-кацію). При утворенні ініціюючого комплексу рибосома приєднується до 5'-кінця мРНК, а в ході трансляції пересувається в напрямку 3'-кінця. Як тільки вивільняється 5'-кінець, до мРНК приєднуються нові рибосоми, на яких також починається біосинтез поліпептидів. На молекулі мРНК може розташовуватися від 3 до 80-100 рибосом, утворюючи полірибосоми. Чим довша молекула мРНК, тим довший поліпептидний ланцюг закодованого білка, і тим більша кількість рибосом у полірибосомі. Деякі мРНК містять інформацію про декілька білків - поліцистронні мРНК. Кожен із білків закодований в окремій ділянці мРНК - цистроні, який має свої іні-ціаторні й термінуючі триплети.

Утворення пептидного зв'язку здійснюється в такій послідовності:

- у присутності ферменту розривається макроергічний зв'язок на гЧ-формілметіоніл-тРНКфмет;

- до звільненого зв'язку приєднується Н від а-гШ2-групи феніла-ланіл-тРНКфен;

- карбонільний залишок гЧ-формілметіоніну переходить до а-гШ2-фенілаланіл-тРНКфен - виникає перший пептидний зв'язок з утворенням в А-ділянці дипептиду - гЧ-формілметіоніл-феніл-

аланіл-тРНКфен;

- у процесі транслокації мРНК пересувається на один кодон;

- тРНКфмет без ініціюючої амінокислоти залишає рибосому. В А-ді-лянку, яка звільнилася, надходить тРНКала, виникає другий пептидний зв'язок і утворюється трипептид складу гЧ-формілметіоніл-фенілаланіл-аланіл-тРНКала, який пересувається далі у П-ділянку, А-ді-лянка ж звільняється і процес повторюється;

- рибосома досягає термінуючого триплету УГА й дисоціює на 30Б- і 50Б-субчастинки, при цьому відокремлюється поліпептидний ланцюг із заданим розташуванням залишків амінокислот.

Вторинна й третинна структури білків формуються в процесі трансляції в міру подовження поліпептидного ланцюга. Тривимірної конформації білок остаточно набуває вже після свого відокремлення.

3. Посттрансляційні зміни білків.

Результатом процесу трансляції не завжди є утворення функціонально активного білка. У багатьох випадках необхідні наступні трансформації (перетворення). Так, інсулін утворюється зі свого попередника проінсуліну шляхом обмеженого протеолізу з відщепленням від нього пептиду за участю ферментів-протеїназ у цитоплазмі клітини. Велика кількість неактивних проферментів (пепсиноген, трипсиноген та ін.) також активуються, перетворюючись в активні ферменти шляхом часткового протеолізу. Асоціація протомерів з утворенням четвертинної структури відбувається вже після закінчення синтезу поліпептидів.