РИБОСОМЫ
Рибосомы — это мельчайшие внутриклеточные частицы, осуществляющие биосинтез белка (см. Трансляция).
Белки, составляющие важнейшую часть любого организма, непрерывно обновляются в процессе его жизнедеятельности. Например, белки печени у человека обновляются наполовину за 10 суток, у ребенка ежедневно синтезируется около 100 г белков. Самое поразительное, что при образовании каждого белка с абсолютной точностью воспроизводится его первичная структура, каждая аминокислота находит отведенное ей место в полипептидной цепи. Как же достигается такая необыкновенная точность сборки огромных белковых молекул, состоящих из десятков и сотен аминокислотных остатков? Это происходит благодаря рибосомам, которые обнаружены в клетках всех без исключения организмов.
Эти субклеточные частицы имеют размер всего 20 нм. После того как было установлено, что они состоят приблизительно наполовину из рибонуклеиновой кислоты — РНК (см. Нуклеиновые кислоты) и наполовину из белка, их и назвали рибосомами, т. е. тельцами, содержащими РНК.
В каждой клетке содержится от десятков тысяч до миллионов рибосом. Часть их находится в свободном состоянии, но в клетках эукариот большинство рибосом прикреплено к мембранам эндоплазматической сети клетки. Здесь они часто образуют полирибосомы, содержащие от нескольких рибосом до десятков их. Полирибосомы возникают в результате того, что несколько рибосом присоединяются к одной молекуле информационной РНК (иРНК), несущей информацию о первичной структуре белка. Таким образом в каждой полирибосоме сразу синтезируется несколько молекул белка.
Сборка полипептидных цепей белков осуществляется непосредственно в рибосомах, настоящих фабриках белка в клетке. Рибосомы, как машины молекулярных размеров, штампуют различные белки с огромной скоростью — одна белковая молекула средних размеров в минуту.
Лучше всего изучены рибосомы одной из бактерий — кишечной палочки. Ее рибосомы получают в чистом виде при помощи ультрацентрифугирования тонко измельченных бактериальных клеток. Сначала оседают крупные частицы, которые удаляют. Затем при очень больших скоростях вращения осаждаются рибосомы. Скорость их оседания 70 S (S — единица Сведберга, характеризующая скорость оседания).
Рибосомы 70 S можно разделить на субчастицы, размер которых характеризуют скоростью их оседания: 30 S и 50 S. Их форма и способы упаковки в полной рибосоме 70 S показаны на рис. 1. В каждой субчастице, как и в полной рибосоме, равное весовое количество РНК и белка. В 30 S субчастице одна молекула РНК с молекулярной массой 0,5 млн. (~1500 нуклеотидных остатков), а 50 S одна молекула РНК с молекулярной массой около 1 млн. (~3 тыс. нуклеотидных остатков) и еще маленькая молекула РНК (5 S), состоящая всего из 120 нуклеотидных остатков.
Рибосомы 70 S свойственны клеткам прокариот и есть в некоторых субклеточных частицах, например в хлоропластах и митохондриях. В цитоплазме клеток эукариот присутствуют преимущественно рибосомы 80 S, состоящие из субчастиц 40 S и 60 S. В отличие от рибосом 70 S в рибосомах 80 S есть еще одна низкомолекулярная РНК (5,8 S), локализованная в 60 S субчастице.
В клетках эукариот синтез рибосомных РНК (кроме 5 S) и присоединение к ним рибосомных белков происходят в специальной структуре ядра — ядрышке. После этого готовые субчастицы выходят из ядра в цитоплазму, где и осуществляют свои функции.
Первичная структура как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных рибосомных РНК, т. е. чередование в них нуклеотидных остатков, выяснена. Более того, известна и пространственная конфигурация полинуклео-тидных цепей всех видов рибосомных РНК (рис. 2). РНК составляет остов субчастицы, к которому прикрепляется в 30 S субчастице 21 молекула белка, а в 50 S субчастице — 34 молекулы белка. Все эти белки оказались различными. Каждый белок выделен, выяснена его первичная структура, а у многих и третичная (рис. 3).
Такие подробные сведения о РНК и белках рибосом позволили построить модели субчастиц (рис. 4). Модель субчастицы 30 S рибосомы кишечной палочки создана в Институте белка АН СССР под руководством А. С. Спирина.
Структура и функция рибосомы тесно связаны. В процессе трансляции иРНК располагается на границе субчастиц 30 S и 50 S. Как полагают, перемещение субчастиц по отношению друг к другу обеспечивает осуществление многоэтапного процесса синтеза полипептидной цепи. РНК и белки в рибосоме скомпонованы так, что образуют ряд центров, каждый из которых предназначен для выполнения своей конкретной операции в процессе биосинтеза белковой молекулы.
Кроме рибосомы и иРНК в синтезе белка участвуют молекулы транспортной РНК, несущие на себе аминокислоту (аминоацил-тРНК), молекулы гуанозинтрифосфорной кислоты (ГТФ), доставляющие энергию для работы рибосомы, а также несколько видов белков, которые присоединяются к рибосоме временно и обеспечивают начало синтеза белка, удлинение полипептидной цепи и ее завершение. Тем не менее механизм работы рибосомы во многом еще непонятен и интенсивно исследуется.
Можно полагать, что если удастся полностью понять механизм работы рибосомы, то в руках человечества окажется способ производства белков, позволяющий решить многие народнохозяйственные проблемы.
