Цитоплазма

Цитоплазма состоит из цитозоля и расположенных в нём органелл.

Цитозоль, или гиалоплазма (от греч. hyalos - стекло) представляет собой коллоидную систему, способную к обратимым переходам из золя в гель. Цитозоль заполняет всё пространство между компонентами клетки и является обменной средой между ними. На его долю приходится до 55 % общего объёма клетки. В цитозоле протекают реакции промежуточного обмена и синтез белков, предназначенных для цитозоля, ядра, митохондрий и пероксисом. В гиалоплазме локализованы ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, жирных кислот, сахаров, а также ферменты, активирующие аминокислоты и обеспечивающие их связывание с транспортными РНК. В цитозоле в форме включений могут накапливаться запасные питательные вещества: гранулы гликогена, жировые капли и окружённые мембраной пигментные гранулы.

Органеллы цитоплазмы

Все органеллы (синоним «органоиды») цитоплазмы делятся на мембранные и немембранные.

Органеллы цитоплазмы

Немембранные Мембранные

Рибосомы Одномембранные Двумембранные

(вакуолярная система клетки)

Цитоскелет Эндоплазматический ретикулум Митохондрии

Включения Аппарат Гольджи Пластиды

растительных клеток

Лизосомы

Пероксисомы

Строение и функции рибосом

Рибосома - это плотная немембранная органелла (диаметр 15-30 нм) осуществляющая реакции белкового синтеза. Функционирующая рибосома состоит из двух асимметричных субъединиц: большой и малой. Строение эукариотической рибосомы показано на рисунке 14. Большая субъединица рибосомы катализирует образование пептидной связи между аминокислотами в синтезируемой молекуле белка, а малая субъединица связывает РНК. По своему химическому составу субъединицы рибосомы - это комплексы специальных белков-ферментов и рибосомных РНК. Рибосомные белки синтезируются в цитоплазме и транспортируются в ядрышко. рРНК образуются в ядрышке, и здесь же осуществляется сборка субъединиц. Завершённые рибосомные субъединицы через ядерные поры транспортируются в цитоплазму.

Рибосомы осуществляют трансляцию (от лат. translatio - передача) генетической информации, записанной на иРНК, в последовательность аминокислот конкретной белковой молекулы. Сборка субъединиц в транслирующую рибосому происходит в начале синтеза белка. После его завершения рибосома вновь разбирается на две субъединицы. Таким образом, рибосомы постоянно обмениваются своими субъединицами.

Прокариотические рибосомы по своей структуре и функциям идентичны эукариотическим, но отличается меньшими размерами частиц: большая субъединица имеет коэффициент седиментации 50S, малая - 30S, в собранном состоянии - 70S.

Функционирующая рибосома

(коэффициент седиментации 80 S*)

25 нм

Большая субъединица Малая субъединица

60 S 40 S

5 S р-РНК; 28 S р-РНК; 5,8 S р-РНК 18 S р-РНК

+ 49 молекул белков + 33 молекулы белка

Рисунок 14. Строение рибосомы эукариотической клетки.

Кроме рибосом в процессе матричного синтеза белков принимают участие информационные РНК (в качестве матрицы, несущей генетическую программу белка) и транспортные РНК (в качестве адапторов или переводчиков генетического кода).

Транспортные (адапторные) РНК доставляют аминокислоты к месту синтеза белковой молекулы. По своему строению (рис. 15) - это небольшие молекулы, содержащие от 70 до 90 нуклеотидов. Один их участок, акцепторный, предназначен для присоединения определённой аминокислоты (одной из 20), а другой, называемый антикодоном, содержит триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК, кодирующему эту аминокислоту. Для каждой аминокислоты имеется по меньшей мере одна тРНК, для большей части аминокислот - их несколько.

Транспортные РНК, одним концом связываясь с аминокислотой, а другим - с кодоном мРНК, переводят язык последовательности нуклеотидов матричной РНК на язык последовательности аминокислот в молекуле белка. Таким образом, транспортные РНК обеспечивают генетически определённый порядок аминокислот в растущей белковой цепи.

________________________________________

* S (единица Сведберга) характеризует скорость оседания микрочастиц при ультрацентрифугировании.

В момент присоединения к тРНК аминокислоты происходит энергетическая «активация» последней. Только «активированные» аминокислоты способны образовать пептидную связь. Свободные аминокислоты, не связанные с молекулами тРНК (их концентрация в цитозоле достаточно велика), не могут спонтанно присоединиться к растущей полипептидной цепи.

Рибосома имеют три активных участка (рис. 16), с которыми связываются молекулы РНК: один участок предназначен для связывания с матричной РНК, два - для транспортных РНК (Р-участок удерживает тРНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи, и А-участок удерживает вновь прибывшую тРНК с активированной аминокислотой).

Процесс образования полипептидной цепи начинается в тот момент, когда происходит сборка рибосомы из двух субъединиц на молекуле иРНК. Эта фаза инициации протекает в два этапа:

1. Вначале малая субъединица связывается с белковым комплексом, называемым эукариотический фактор инициации 2 (eIF2), и т.н. инициаторной тРНК, которая узнаёт стартовый кодон мРНК (AUG)* и присоединяется к нему.

тРНК с растущей тРНК с

белковой цепью активированной

аминокислотой

Большая

субъединица

Малая

субъединица

5 3

мРНК-

связывающий Р-участок А-участок мРНК

участок

А Б

Рис.16. Участки связывания молекул РНК в ненагруженной (А)

и нагруженной (Б) рибосомах.

____________________________________________________

* В молекулах иРНК обычно много триплетов AUG, кодирующих аминокислоту метионин. Однако, инициаторная тРНК связывается только с одним из них, тем который располагается ближе к 5¢-концу иРНК.

2. Затем присоединение большой субъединицы завершает сборку рибосомы на мРНК.

Далее начинается наращивание полипептидной цепи (фаза элонгации), которая протекает циклически. Каждый цикл включает три этапа.

1. Р-участок рибосомы занят тРНК (в начале трансляции это инициаторная тРНК, на акцепторном конце которой располагается аминокислота метионин). С соседним кодоном иРНК, который находится в свободном А-участке рибосомы, комплементарно связывается своим антикодоном тРНК с соответствующей аминокислотой на акцепторном конце.

2. Активированная аминокислота отделяется от т-РНК Р-участка и образует пептидную связь с H₂N-концом аминокислоты, связанной с тРНК в А-участке. Эта реакция катализируется ферментативным комплексом, связанным с большой субъединицей рибосомы.

3. Отделившаяся от Р-участка свободная молекула тРНК возвращается в цитоплазму, где она затем может связаться с новой аминокислотой. Рибосома продвигается на три нуклеотида вдоль молекулы иРНК. Транспортная РНК, нагруженная дипептидом в первом цикле или растущей полипептидной цепью в последующих, оказывается в Р-участке рибосомы. А-участок свободен и может принять новую тРНК, нагруженную очередной аминокислотой.

Такие циклы повторяются друг за другом. Рибосома шаг за шагом продвигается вдоль молекулы иРНК в направлении 5¢ ® 3¢* до тех пор, пока в А-участке не окажется стоп-кодон (см. табл. 1.2), с которым связываются специальные цитоплазматические белки, называемые факторами освобождения. При этом к концу полипептидной цепи присоединяется не аминокислота, а молекула воды. Завершённый полипептид освобождается, а рибосома распадается на две субъединицы. Эти субъединицы могут в дальнейшем присоединиться к другой молекуле иРНК и начать синтез нового белка.

На одной молекуле иРНК могут одновременно работать несколько рибосом, образуя полирибосому (или, полисому) - структуру, в которой на одну матричную РНК нанизано несколько рибосом, отстоящих друг от друга примерно на 80 нуклеотидов (рис. 17).

Цитоплазматические рибосомы, синтезирующие клеточные белки различного назначения, могут либо свободно располагаться в цитозоле, либо связываться с мембранами эндоплазматического ретикулума.

Необходимо отметить, что в эукратиотических клетках есть ещё одна популяция рибосом - это митохондриальные рибосомы (у растительных клеток рибосомы также содержатся в пластидах). Эти рибосомы отличаются ______________________________________________

* Продвижение рибосомы вдоль иРНК во время трансляции, как и рост цепи РНК во время транскрипции и идут в одном направлении: 5¢ ® 3¢. При образовании полинуклеотидной цепи нуклеотиды соединяются между собой ковалентной связью, к 3¢-гидроксильной группе рибозы одного нуклеотида (растущий конец) присоединяется 5¢-фосфатная группа молекулы рибозы другого.

меньшими размерами, они образуются и функционируют только внутри митохондрий.