Лекция 9. Рибосомы. Структура рибосом (физические свойства)

Лекция 9. Рибосомы. Структура рибосом (физические свойства)
Полимеризация аминокислот, переносимых аминоацил-тРНК, в порядке,
определяемом матричной РНК, происходит на рибосоме. Рибосома –
наиболее сложный компонент трансляционной системы. Этот клеточный
органоид диаметром 250 Ао, служит местом взаимодействия различных
молекул, участвующих в процессе трансляции.
Долгое время рибосому рассматривали как пассивный элемент, который
играет лишь опоры для элементов активных - таких, как мРНК, тРНК и
различные вспомогательные факторы. Теперь известно, что на разных этапах
синтеза полипептидной цепи рибосома активно участвует в узнавании
определенных участков мРНК и обеспечивает механические функции,
необходимые для использования и удаления других компонентов белоксинтезирующей системы.
В различных моделях рибосомы, где ей приписывается ряд специфических
функций, каждому функциональному участку соответствует определенная
часть ее поверхности. Предполагают, например, что в процессе элонгации
полипептидная цепь много раз перемещается с одного участка рибосомы на
другой и обратно. Ничто, однако, не дает права утверждать, что эти участки
действительно постоянно занимают различные места на поверхности
рибосомы: вполне возможно, что вместо этого происходит индукция какихто структурных изменений в молекулах, занимающих одно и тоже место.
Между тем в других случаях и для других функций были действительно
обнаружены обособленные участки. Функциональная координация между
ними осуществляется с помощью очень интересных механизмов. Однако для
исследования этих механизмов необходимо разработать новую методологию, поскольку методы, используемые до сих пор для изучения белков,
здесь не достаточны. В самом деле, они основаны только на исследовании
каталитической активности белков, участвующих в образовании или разрыве
ковалентных связей субстратов. Рибосома обладает только одной катали-
тической активностью в привычном смысле этого термина: она действует как
пептидилтрансфераза и образует пептидные связи, а также “помогает”
фактору G расщеплять ГТФ до ГДФ.
Субстратами рибосомы служат макромолекулы, которые приходят и
уходят, не подвергаясь необратимым химическим изменениям. Рибосома
координирует их передвижение, безусловно, претерпевая под их влиянием
конформационные изменения. Которые в свою очередь влияют на макромолекулы и позволяют им выполнять специфические функции. Изучать
различные функции рибосомы очень трудно ввиду ее сложности. При
изучении той или иной функции важно знать, с какими структурными
элементами она могла бы быть связана; следовательно, необходим полный
анализ рибосомы и ее компонентов. Для таких исследований была выбрана
бактериальная рибосома, и за несколько лет удалось не только разделить и
получить в значительных количествах все виды молекул, входящих в ее
состав, но также снова реконструировать из них рибосому. Методология,
выработанная в этом случае дает возможность подойти к изучению
конкретной роли каждого компонента либо прямым путем, исключая его при
реконструкции рибосомы и прослеживая утрату функции, либо косвенно –
определяя, какой компонент рибосомы претерпевает изменения у условных
мутантов.
При изучении клеточных препаратов с помощью электронного микроскопа
дегидратированная рибосома выглядит как частица овальной формы величиной 150-250 Ао. В гидратированном состоянии, она содержит около 70%
воды и ее размеры значительно больше.
Рибосомы можно выделить из клеточных экстрактов, предварительно
очищенных от различных
органоидов. В процессе центрифугирования в
течение 2-3 ч. при 105000 g, рибосомы седиментируют на дно пробирки,
образуя прозрачный студенистый осадок. В животных клетках большая часть
рибосом находится на мембранах эндоплазматической сети. Поэтому перед
высокоскоростным центрифугированием их приходится отделять от мембран
добавлением нейтрального детергента, например дезоксихолата. В экстрактах из клеток, активно синтезирующих белки, рибосомы седиментируют в
форме полирибосом, в которых несколько рибосомных частиц связано с
нитью мРНК. Однако, если не приняты особые предосторожности, нуклеазы,
освобождаемые во время приготовления клеточных экстрактов, обычно
разрушают мРНК, превращая полирибосомы в монорибосомы.
По своему происхождению рибосомы могут быть разделены на три группы:
1 –рибосомы прокариотов, обладающие коэффициентом седиментации 70S и
молекулярным весом около 3*106.
2 –рибосомы эукариотов с коэффициентом седиментации 80S и молекулярным весом около 4,5*106.
3 –рибосомы митохондрий и хлоропластов, коэффициент седиментации
которых, варьирует в пределах от 55S до 80S в зависимости от организма.
Электронная микроскопия с высоким разрешением обнаруживает в 70S и
80S-рибосомах борозду, указывающую на то, что они состоят из двух
субчастиц неравной величины. При сильно пониженных концентрациях
ионов магния – порядка 0,2 –1 мМ – субчастицы 70S рибосом диссоциируют
и могут быть разделены центрифугированием в градиенте плотности. 70S
рибосомы дают при диссоциации стехиометрические количества 50S и 30S субчастиц.
Рибосомы
эукариотических
организмов
диссоциируют
на
субчастицы с большим трудом. Чтобы получить 40S и 60S -субчастицы
рибосом эукариотов, недостаточно понизить концентрацию ионов магния,
необходимо
добавить
соответствующие
комплексоны
или
повысить
концентрацию одновалентных ионов. Диссоциация рибосом на субчастицы
обратима, и добавление в их суспензию ионов магния до концентрации 5-10
мМ приводит к восстановлению целых 70S и 80S- рибосом.
Величина рибосом, выделенных из митохондрий или хлоропластов, повидимому, неодинакова; рибосомы из митохондрий грибов и дрожжей как
будто бы крупнее (73S-78S) по сравнению с рибосомами из митохондрий
животных
клеток
(55S).
Коэффициент
седиментации
рибосом
из
хлоропластов
высших
растений
составляет
около
70S.
По
ряду
функциональных свойств, рибосомы митохондрий сходны с бактериальными
рибосомами, хотя нередко отличаются от последних своей величиной.