6.3.3. Структура и функции рРнк

рРНК - рибосомальная РНК, основа формирования рибосом; метаболически стабильная молекула с молекулярным весом 2∙10⁶ кДа. На её долю приходится 85-90% всех РНК клетки. Степень спирализован- ности молекул достигает 70-80%.

Первичная структура молекула рРНК представляет также линейный полимер с 1-3 шпильками. Среди азотистых оснований преобладают гуанин и цитозин; минорные основания встречаются реже (всего 1%); в основном это нуклеозиды метилированные по рибозе (рис. 134).

Выделяют 4 вида рРНК: 5S-рРНК, 5,8S-рРНК, 18S-рРНК и 28S-рРНК, которые различаются по скорости их оседании (седиментации) при центрифугировании. Скорость оседания зависит от молекулярной массы и размеров молекул; обозначается буквой S ( от Сведборг).

Вторичная структура рРНК представлена структурой с большим количеством двуцепочных участков и «шпилек» (рис.135). Она самооргани- зуется в специфические третичные структуры, которые в комплексе с рибосомальными белками образуют рибосомные субъединицы.

Рис.133. Третичная структура молекулы тРНК.

Рис.134. Первичная структура

молекулы 5.8S-рРНК

(Из: Березин,2006)

Рис.135. Вторичная структура 16Sр-РНК, содержащая

4 Домена (Из: Коничев, 2003)

6.3.4. Рибосомы.

Рибосомы - внутриклеточные органеллы описаны в 1955 году Д. Пелейдом; термин предложен Р. Робертсоном. В клетке различают свободные и мембраносвязанные (с эндоплазматической сетью) рибосомы. В эукариотических клетках рибосомы крупнее - до 30нм. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц – малой и большой, которые представляют собой рибонуклео- протеидные комплексы, своеоб- разные «фабрики», обеспечивающие сборку аминокислот и белки.

Рис.136. Расположение р-белков на

молекуле 16S-рРНК малой субъе-

диницы рибосомы прокариот Малая субъединица выполняет функцию связывания мРНК и тРНК; большая - принимает участие в сборке полипептида, обеспечивая форми- рование пептидной связи. Каждая субъединица содержит молекулы рРНК, являющейся её основой; на ней располагаются рибосомальные белки: для каждой субъединицы имеется свой определенный порядок их расположения (рис.136).

Белки рибосом в количестве одной копии выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанной с аминокислотой или пептидом. Малая субъединица рибосомы у прокариот состоит из трех долей: «головки», «тела», и «платформы»; большая субъединица – из трех выступов или протуберанцев: централь- ного (головки) и двух боковых – стержня ( пальца) и ребра (рис.137 ).

Рис.137. Схема строения рибосомы бактерий.

На рисунке 138 представлены фотографии моделей 30S- и 50S-субъединиц бактерий в трех проекциях. Каждая субъединица содержит по одной высокомолекулярной рРНК и низкомолекулярной рРНК. У эукариот строение рибосом в общем плане подобно строению рибосом прокариот, за исключением того, что в состав большой субъединицы входит молекула 5,8S-рРНК. В бактериальной клетке количество рибосом достигает 10 тысяч, а в эукариотических клетках в десятки раз больше.

У прокариот масса рибосом составляет 2500 кДА( 25% общей массы клеток), масса одной рибосомы - 2.8 ∙10⁶ кДа, диаметр - около 20нм, а коэффициент седиментации 70S (S - единица Сверберга, показывающая скорость оседания веществ при центрифугировании, зависящей от массы, плотности и формы вещества). Рибосома прокариот (70S) состоит из большой (50S) и малой (30S) субъединиц. Субъединица 30S содержит 21 молекулу белка и одну молекулу 16S-рRHK; 50S-субъединица состоит из 31 молекулы белка и двух молекул RHK: 23S-рRHK и 5S-рRHK (рис.139).

Рис.138. Фотографии моделей субъединиц рибосом бактерий в трех

проекциях (Из:Спирин,1986)

Рибосомы эукариот крупнее рибосом прокариот; их диаметр составляет 30 нм, коэффициент седиментации 80S и состоят из большой (60S) и малой (40S) субъединиц. Большая субъединица включает три молекулы рRHK: 28S-рRHK, 5,8S-рRHK, 5S-рRHK и 49 молекул белка; малая субъединица содержит одну молекулу рRHK - 18S-рRHK и 33 молекулы белка (рис.139).

Рибосомы митохондрии эукариот по строению похожи на рибосо- мы прокариот.

В собранном виде рибосома имеет вид, представленный на рисунке 69; между субъединицами на контактирующих поверхностях возникает се - рия небольших углублений («каналов» и «туннелей»), в которых распола- гаются мРНК, тРНК с аминокислотами, а также канал выхода синтезированной молекулы полипептида. Для обеспечения прохождения процесса трансляции на контактирующих поверхностях имеются центры связывания всех компонентов, а также функциональные центры, обеспе-

Рис.139. Состав рибосом эукариот и прокариот ( Из: Коничев, 2004).

чивающие образование пептидной связи и перемещение рибосом по мРНК. Следовательно, рибосома в собранном виде выполняет функцию суперфермента; состоит из 75 белков и 4 рРНК. Её роль заключается в обеспечении правильной расстановки участников процесса трансляции друг относительно друга и катализа определенных реакций между ними.

Рассмотрим строение и функции центров рибосомы эукариот, спроецированных на контактирующую поверхность (условно) (рис.140)

М-центр или центр связывания мРНК. Он содержит участок 18S-рРНК малой субъединицы. Нуклеотиды этого участка комплиментарны 5 - 9 нуклеотидам 5^′-нетранслируемого фрагмента мРНК.

П-центр – пептидильный центр. В нем происходит связывание аминоацил-тРНК с рибосомой. Синтез любого полипептида начинается с аминокислоты метионин (формилметионин у прокариот) и, поэтому, инициирующей аминоацил-тРНК является фМет-тРНК^мет у прокариот и мeт-тРНК^мет у эукариот). В состав П-центра входит также, так называемый Е-центр, в котором будет размещатся тРНК уже потерявшая связь с пептидилом перед тем, как покинуть рибосому.

П-центр М-центр

П ТФ-центр А-центр

Рис.140. Проекция функциональных центров рибосомы на плоскость между субъединицами.

Рис.141. Распределение функциональных центров между субъединицами рибосомы.

А-центр – аминокислотный центр – место связывания очередной аминоацил-тРНК (аа-тРНК).

А- и П-центры образуются при объединении малой и большой субъединиц, находятся рядом, частично в малой, частично в большой субъединицах (рис.): большая часть А-центра и небольшая часть П-центра расположены в малой субъединице, а большая часть П-центра и небольшая часть А-центра - в большой субъединице рибосомы (рис.141).

ПТФ-центр - пептидилтрансферазный центр. Участок большой субъ-

единицы рибосомы, в котором происходит образование пептидной связи между аминокислотами, связанными с тРНК и расположенными в А- и П-центрах. Образование пептидной связи обеспечивает фермент пептидилтрансфераза – фермент, входящий в состав большой субъединицы. Образование пептидной связи удлиняет полипептид на одну амино- кислоту.

р-RHK в составе рибосом выполняют все каталитические функции в процессе трансляции; белки в этом процессе обеспечивают связывание молекул, тем самым ускоряя его.

Субъединицы в цитоплазме находятся в свободном состоянии, соединяясь только для трансляции белков. Различают цитоплазматические рибосомы, обеспечивающие синтез цитоплазматических белков и мембранносвязанные рибосомы ЭПС, участвующие в синтезе белка в полостях ЭПС. Рибосома, состоящая из двух субъединиц называется моносомой, а группа рибосом, объединенных на момент трансляции – полисома (рис.143).

Рис.142. Полисомы: А-схема по Б.Альберту, 1994; Б-электронная микрофо-

тография мРНК в клетках кролика и комара. Видны полипептиды,

выходящие из рибосомы (Из: Страйер,1985).

6.3.5. Аминоацил-тРНК-синтетазы

Это крупные белки с молекулярной массой 100-400 тыс. Да. Состоят из двух или четырех белковых субъединиц, одинаковых или разных по структуре; могут быть мономерными. Все аминоацил-тРНК-синтетазы (АРС-азы) имеют по два субстратсвязывающих центра: один для узнавания и связывания тРНК, другой – для соответствующей данной тРНК аминокислоты (рис.143). Кроме этих двух центров, имеется ещё один - для удаления образовавшейся связи между тРНК и аминокислотой, в том случае, если присоединилась «неправильная» аминокислота. В этом случае путём гидролиза происходит разъединение неправильного комплекса тРНК- аминокислота. АРС-азы активируют аминокислоты и присоединяют их к антикодону определенной тРНК. Таким образом, именно АРС-азы осуществляют перевод информации с последовательности нуклеотидов на последовательность аминокислот. Исходя из этого, их называют кодазами или шифразами. Всего имеется 20 видов АРС-синтетаз, по одной на каждую аминокислоту. Следовательно, именно эти ферменты сопрягают генетический код со структурой аминокислот. Аминоацил-тРНК-синтетазы обозначаются верхним индексом названия аминокислоты, которую они каталитируют: валил-тРНК-синтетаза^вал, серил-тРНК-синтетаза^сер и т.д.

Рис.143. Схема аминоацил тРНК-синтетазы с двумя активными центрами связывания аминокислот и тРНК.

Трансляция включает три этапа: инициацию, элонгацию и термина- цию синтеза белка, которым предшествует процесс активации аминокислот.