Рибосомы - принципы организации, строение, состав

Рибосомы, внутриклеточные частицы, осуществляющие биосинтез белка, состоят из двухразличных субчастиц, каждая из которых построена из рибосомной РНК [рРНК (rRNA)] и многих белков. Рибосомы и их субчастицы обычно классифицируют не по массам, а в соответствии с коэффициентами седиментации. Коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а коэффициент седиментации ее субчастиц составляет 40S и 60S.

Меньшая 40S-субчастица состоит из одной молекулы 18S-рРНК и 30-40 белковых молекул. Большая 60S-субчастица содержит три типа рРНК с коэффициентами седиментации 5S, 5,8S и 28S и 40-50 белков. В присутствии мРНК (mRNA) субчастицы объединяются с образованием полной рибосомы, молекула мРНК проходит через щель на малой субчастице, причем эта щель ориентирована как раз в промежуток между двумя субчастицами. тРНК также связываются вблизи этого участка.

Рибосомы прокариот имеют аналогичную структуру, но они несколько мельче, чем эукариотические (коэффициенты седиментации полной рибосомы 70S, а субчастиц — 30S и 50S).

В процессе функционирования (т. е. синтеза белка) рибосома осуществляет несколько функций:

1) специфическое связывание и удержание компонентов белоксинтезирующей системы [информационная, или матричная, РНК (иРНК); аминоацил-тРНК; пептидил-тРНК; гуанозинтрифосфат (ГТФ); белковые факторы трансляции еEF;

2) каталитические функции (образование пептидной связи, гидролиз ГТФ):

3) функции механического перемещения субстратов (иРНК, тРНК), или транслокации. Функции связывания (удержания) компонентов и катализа распределены между двумя рибосомными субчастицами:

o малая рибосомная субъединица:

1. связывая мРНК, служит первичным акцептором генетической информации для белоксинтезирующего аппарата;

2. с участием факторов инициации обеспечивает узнавание инициирующего участка на иРНК путем сканирования цепи мРНК [у эукариот];

3. обеспечивает кодон-антикодоновое взаимодействие инициирующего кодона иРНК с антикодоном инициирующей тРНК;

Малая рибосомная субъединица таким образом, является главным " действующим лицом " всего сценария инициации и, по-видимому, не несёт каталитических функций.

o большая субчастица исполняет биохимическую часть функций: содержит каталитический участок для синтеза пептидной связи, а также центр, участвующий в гидролизе ГТФ; кроме того, в процессе биосинтеза белка она удерживает на себе растущую цепь белка в виде пептидил-тРНК.

Рибосома имеет 2 центра связывания: Р-центр (пептидильный) и А-центр (аминоацильный)

Механизм трансляции - этапы рибосомального цикла:

Собственно трансляция проходит в три этапа: инициация, элонгация и терминация.

1. Инициация: (на рисунке шаг 2) молекула иРНК поступает на малую рибосомную субъединицу, рибосома точно присоединяется к модифицированному (кэп) 5’-концу иРНК и перемещается по ней до тех пор, пока не обнаружит инициирующий кодон, к инициирующему кодону (АУГ)присоединяется первая аминоацил-тРНК (метионил-тРНК), и комплекс «закрывается» большой субъединицей рибосомы. В образовании инициирующего комплекса участвуютбелковыефакторы инициации (еIF-1,2,3) [Initiation Factors]и используется энергия ГТФ.

2. Элонгация:(на рисунке шаг 3) в аминоацильный участок поступает следующая аминоацил-тРНК. Фермент пептидилтрансфераза образует пептидную связь между активированной карбоксильной группой первой аминокислоты и аминогруппой второй аминокислоты. Образованный при этом дипептид «зависает» в аминоацильном центре. Затем с помощью транслоказы и энергии ГТФрибосома перемещается по иРНК на один кодон, аминоацильный участок освобождается, туда поступает новая аминокислота. В стадии элонгации принимают участие белковыефакторы элонгации (еEF). Таким образом, при элонгации рибосома работает как лентопротяжный механизм, перемещая с помощью тРНК цепь мРНК относительно себя с шагом по три нуклеотида от 5'- к 3'-концу цепи.

3. Терминация(на рисунке шаг 4) наступает тогда, когда в аминоацильном участке оказывается один из терминирующих кодоновУАА, УГА, УАГ.К таким кодонам присоединяются специальные белкифакторы терминации (рилизинг-факторы, release factors) еRF, которые высвобождают синтезированный пептид и вызывают диссоциацию субъединиц рибосомы.

На рисунке шаг 4 -посттрансляционная модификация белка:формирование пространственной структуры и процессинг белковой молекулы с целенаправленным перемещением молекул к местам их функционирования.

Некоторые факторы трансляции эукариот
Факторы эукариот	Функции
Инициация
еIF1	Участвуют в образовании инициирующего комплекса
eIF2
eIF3, eIF4C
eIF4E	Участвует в связывании кэпа иРНК
eIF4A, eIF4B,eIF4F	Участвуют в поиске первого кодона АУГ
eIF5	Способствуют диссоциации eIF2, eIF3, eIF4C
eIF6	Способствует диссоциации 60S субъединиц
Элонгация
eEF1a	Доставляет аминоацил тРНК к рибосоме
eEF1bg	Участвует в рециклизации eEF1a
eEF2	Фактор транслокации
Терминация
eRF	Завершает синтез полипептидной цепи

36. Виды и механизмы посттрансляционной модификации (процессинга) пробелков:

. химическая модификация (виды, примеры);

ограниченный протеолиз;

Самосборка белка.

Многие белки синтезируются в неактивном виде (в виде предшественников) и после схождения с рибосом подвергаются постсинтетической модификации. Виды модификации белков:

1. частичный (ограниченный) протеолиз (удаление N-концевого метионина и сигнального пептида, образование активных форм ферментов и гормонов, смотри ниже в вопросе 3.2)

2. ацетилирование: в большинстве случаев инициирующий метионин удаляется путем гидролиза, и к новой N – концевой аминокислоте добавляется ацетильная группа. Ацетил-КoA – донор ацетильной группы для этих реакций. Ацетилированию подвергаются гистоновые белки.

3. метилирование происходит по остаткам лизина в некоторых белках типа калмодулина и цитохрома c. S-аденозилметионин - донор активной метильной группы

4. фосфорилирование - одна из наиболее популярных модификаций белков, которые происходят в животных клетках. Реакции фосфорилирования белков составляют часть механизмов регуляции биологической активности белка и являются обратимыми. Реакции фосфорилирования (АТФ + белок à фосфопротеин +АДФ) катализируются протеинкиназами, а реакции отщепления остатков фосфата (фосфопротеин à протеин + фосфат) протеинфосфатазами. Примером такого рода реакций могут быть реакции фосфорилирования гликоген синтазы и гликоген фосфорилазы в гепатоцитах в ответ на действие глюкагона – гормона поджелудочной железы. Фосфорилирование синтазы ингибирует ее активность, в то время как активность фосфорилазы повышается. Эти два синхронные события ведут к повышению поступления печеночной глюкозы в кровь. Наоборот, дефосфорилирование вызывает обратное соотношение активностей и клетки печени активно синтезируют гликоген.

5. остатки тирозина в некоторых белках могут сульфатироваться. Примерами таких белков могут быть фибриноген или гастрин. Донором сульфата для белков, как и при сульфатировании других молекул является 3 '-фосфоаденозил-5 '-фосфосульфат (ФАФС). Присоединение сульфата к остаткам тирозина необходимо для проявления функции белков и является необратимым процессом в отличие от фосфорилирования тирозина, используемого в регуляторных механизмах клетки.

6. Пренилирование - присоединение 15 углеродной фарнезильной или 20 углеродной геранилгеранильной групп к акцепторным белкам. Фарнезил и геранилгеранил - изопреноиды, получаемые на пути синтеза холестерина. Изопреноидные группы присоединяются к остаткам цистеина на С конце белков тиоэфирной связью (C-S-C). Последовательность на C - конце белков, подвергающихся пренилированию: CAAX, где C – цистеин, А – любая алифатическая аминокислота (кроме аланина) и X - C-концевая аминокислота. Для проведения реакции присоединения пренильных групп, три С- концевые аминокислоты молекулы предшественника (AAX) удаляются, а цистеин активируется метилированием при участии S-аденозилметионина как донора метильной группы. Примерами пренлированных белков могут служить белки, связывающие и гидролизуюшие ГТФ. Многочисленные G-белки участвующие в передаче сигналов имеют гамма субъединицу, модифицированную геранил-геранилом.

7. Модификации белков, которые зависят от витамина C как кофактора, включают гидроксилированиепролина и лизина. Гидроксилирующие ферменты - пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы. (см. тему «Белки-2» вопрос 1.1.)

8. Витамин К – кофактор в карбоксилировании остатков ГЛУ. Результатом этой реакции является -карбоксиглутаминовая кислота.

Это соединение важно для функции ряда белков, участвующих в свертывании крови. Образование глутамата позволяет белкам формировать комплексы с ионами кальция и таким образом способствовать изменению конформации и биологической активности белков. Антикоагулянты производные кумарина, варфарин и дикумарин, ингибируют реакцию

Ограниченный протеолиз;

Большинство белков подвергается действию протеаз. Самая простая форма такого протеолиза - удаление инициирующего метионина. Многие белки синтезируются в форме неактивных предшественников, активирование которых происходит порой далеко от места их синтеза при помощи так называемого ограниченного протеолиза. Примерами могут служить секретируемые ферменты поджелудочной железы или ферменты системы свертывания крови. Неактивные предшественники таких белков, активируемых удалением дополнительных пептидов, названы пропротеинами. Термин препротеины используется для обозначения белков, содержащих сигнальные последовательности, которые также удаляются специфическими протеазами. Многие секретируемые белки (пропротеины) также имеют сигнальные последовательности. Для обозначения таких белков используют термин препропротеины. Посттрансляционный протеолиз в в ряде случаев может принимать сложный характер. Например, препроопиомеланотропин, синтезируемый гипофизом, или препроинсулин.

Самосборка белка.

Через какое-то время после начала трансляции N-концевая часть растущего полипептида оказывается вне рибосомы и затем по мере роста полипептида все большая часть его свешивается с рибосомы в окружающую среду. В ней полипептидная цепь не может оставаться в виде развернутой цепи: ее гидрофобные боковые группы взаимодействуют друг с другом, а гидрофильные - с окружающей водой и ионами. Это создает условия для сворачивания, компактизации и самоорганизации внерибосомной части растущего полипептида в пространственную (вторичную и третичную) структуру.

Такое постепенное полярное сворачивание растущей полипептидной цепи на рибосоме обозначается как котрансляционное формирование структуры белка. В других случаях белок, синтезируемый рибосомой и используемый в других компартментах клетки необходимо перенести через мембрану либо вне клетки, либо в одну из внутриклеточных органелл. Транспорт такого белка через мембрану требует несвернутого состояния его полипептидной цепи. В этом случае могут быть использованы две альтернативные возможности:

1) рибосомы, синтезирующие белок, предназначенный для транспорта через мембрану, сами сидят на мембране (мембраносвязанные рибосомы), и растущий полипептид в развернутом виде поступает из них непосредственно в мембрану;

2) свободные (не прикрепленные к мембране) рибосомы цитоплазмы синтезируют полипептидную цепь, которая по мере выхода из рибосомы взаимодействует со специальными белками - молекулярными шаперонами. Шапероны препятствуют полному сворачиванию белка в компактную структуру и поддерживают его недосвернутое состояние в растворе. После освобождения из рибосомы эти недосвернутые белки взаимодействуют с мембраной и транспортируются через нее.

37 Регуляция биосинтеза белка у прокариот. Особенности регуляции биосинтеза белка у эукариот: