Рибосома прокариот 70S структура: разбор по субъединицам

Рибосома прокариот 70S структура описывает главный аппарат синтеза белка в бактериальной клетке - рибонуклеопротеиновый комплекс, который читает матричную РНК и собирает из аминокислот полипептид. В отличие от эукариотической рибосомы 80S, бактериальная меньше по размеру и иначе устроена, и именно эти различия позволяют ряду антибиотиков избирательно блокировать синтез белка у патогена, не трогая клетки человека. Чтобы понять, как работает трансляция и почему одни препараты бьют по малой субъединице, а другие - по большой, нужно разобрать рибосому слой за слоем: коэффициент седиментации, состав двух субъединиц, роль рРНК и расположение функциональных сайтов. Ниже - последовательный разбор всех компонентов 70S-частицы.

Что означает 70S: коэффициент седиментации

Обозначение «70S» - это не сумма масс, а коэффициент седиментации, единица Сведберга (S), характеризующая скорость осаждения частицы в ультрацентрифуге. Коэффициент зависит и от массы, и от формы, и от плотности, поэтому он не аддитивен. Именно поэтому при сборке рибосомы из субъединиц $50S + 30S$ получается не 80S, а 70S:

$50S + 30S \rightarrow 70S$

Скорость седиментации связана с коэффициентом через уравнение Сведберга $s = \dfrac{m\,(1 - \bar{v}\rho)}{f}$, где $m$ - масса частицы, $\bar{v}$ - её парциальный удельный объём, $\rho$ - плотность среды, а $f$ - коэффициент трения. Поскольку $f$ зависит от формы, две частицы с одинаковой массой, но разной компактностью дадут разные значения $S$ - отсюда и кажущийся «парадокс» нелинейного сложения. Прежде чем перейти к деталям субъединиц, удобно сразу выбрать, какой именно элемент рибосомы вам нужно разобрать подробнее - для этого ниже встроен интерактивный помощник.

Малая субъединица 30S

Малая субъединица прокариотической рибосомы имеет коэффициент седиментации 30S и состоит из одной молекулы рибосомной РНК - 16S рРНК (около 1540 нуклеотидов) - и примерно 21 белка (обозначаются S1–S21, от англ. small). Именно 30S отвечает за декодирование: она удерживает матричную РНК и проверяет соответствие кодона мРНК антикодону транспортной РНК.

Ключевую роль играет 16S рРНК. Её 3′-конец содержит последовательность анти-Шайна-Дальгарно, комплементарную участку Шайна-Дальгарно на мРНК. Это спаривание позиционирует стартовый кодон $AUG$ в нужном месте при инициации - механизм, которого нет у эукариот (там используется кэп-зависимое сканирование). Кроме того, по последовательности 16S рРНК строят филогенетические деревья бактерий и архей - она консервативна, но содержит вариабельные участки.

Большая субъединица 50S

Большая субъединица 50S крупнее и сложнее: в неё входят две молекулы рРНК - 23S (около 2900 нуклеотидов) и 5S (около 120 нуклеотидов) - и порядка 31–34 белков (L1–L34, от англ. large). Главная функция 50S - катализ образования пептидной связи между аминокислотами растущей цепи.

Каталитический центр - пептидилтрансферазный центр (ПТЦ) - образован не белком, а самой 23S рРНК. Это означает, что рибосома является рибозимом: ферментативную реакцию ведёт РНК, а не белок. Через большую субъединицу проходит туннель выхода, по которому растущий полипептид покидает рибосому. Понимание того, что катализ ведёт рРНК, объясняет, почему многие антибиотики нацелены именно на участки 23S рРНК, а не на рибосомные белки.

Функциональные сайты: A, P и E

На границе между двумя субъединицами расположены три участка связывания транспортной РНК, каждый из которых занимает определённую стадию работы:

• сайт A (аминоацильный, от aminoacyl) - принимает входящую аминоацил-тРНК с очередной аминокислотой;
• сайт P (пептидильный, от peptidyl) - удерживает тРНК с растущей полипептидной цепью;
• сайт E (выходной, от exit) - через него деацилированная тРНК покидает рибосому.

Декодирующий центр, проверяющий правильность пары кодон-антикодон, находится в 30S, а пептидилтрансферазный центр - в 50S, поэтому каждая тРНК своими концами «лежит» сразу на обеих субъединицах. Сдвиг тРНК из A в P и затем в E происходит на этапе транслокации с затратой энергии GTP.

Как 70S ведёт трансляцию

Полный цикл синтеза белка на 70S-рибосоме делят на четыре стадии, в каждой участвуют свои факторы:

• Инициация. Малая субъединица 30S с факторами IF1, IF2, IF3 садится на участок Шайна-Дальгарно, формилметиониновая тРНК ($fMet$-тРНК) встаёт в сайт P на стартовый $AUG$, затем присоединяется 50S - собирается полная 70S.
• Элонгация. Аминоацил-тРНК доставляется фактором EF-Tu в сайт A, ПТЦ катализирует пептидную связь, фактор EF-G обеспечивает транслокацию с гидролизом GTP. Цикл повторяется на каждый кодон.
• Терминация. На стоп-кодон ($UAA$, $UAG$, $UGA$) садятся факторы RF1/RF2, полипептид отделяется от тРНК.
• Рециклинг. Фактор RRF и EF-G разбирают комплекс на 30S и 50S для нового раунда.

Скорость синтеза у бактерий - около 15–20 аминокислот в секунду, что заметно выше эукариотической. На одной мРНК часто работает сразу несколько рибосом, образуя полисому.

Почему 70S - мишень антибиотиков

Структурные различия между 70S и 80S делают бактериальную рибосому удобной мишенью: препарат блокирует синтез белка у бактерии, почти не затрагивая рибосомы хозяина. Точки приложения распределены между субъединицами:

• по 30S работают аминогликозиды (вызывают ошибки декодирования) и тетрациклины (блокируют сайт A);
• по 50S действуют макролиды (закупоривают туннель выхода), линкозамиды, хлорамфеникол (блокирует ПТЦ) и оксазолидиноны.

Понимание того, какая субъединица атакована, объясняет и бактериостатический либо бактерицидный характер действия, и механизмы устойчивости - например, метилирование 23S рРНК делает клетку нечувствительной к макролидам. Сама рибосома при этом - лишь один из компонентов прокариотической клетки; общий план её строения, включая муреиновый каркас и мембраны, разобран в статье про строение бактериальной клетки и пептидогликан.

Частые ошибки

• Складывают коэффициенты седиментации. $50 + 30 \neq 80$ для 70S: единицы Сведберга нелинейны, потому что зависят от формы и плотности, а не только от массы.
• Путают субъединицы прокариот и эукариот. У бактерий рибосома 70S (50S + 30S), у эукариот - 80S (60S + 40S). Митохондриальные рибосомы человека ближе к 70S - это след эндосимбиоза.
• Считают, что пептидную связь образует белок. Катализ ведёт 23S рРНК: рибосома - рибозим, а не классический белковый фермент.
• Меняют местами сайты A и P. Входящая аминоацил-тРНК идёт в A, растущая цепь держится в P, отработанная тРНК уходит через E.
• Забывают про fMet и Шайна-Дальгарно. Инициация у бактерий идёт через формилметионин и участок Шайна-Дальгарно, а не кэп-зависимое сканирование, как у эукариот.

FAQ

Чем 70S отличается от 80S? Размером и составом: 70S (бактерии, 50S + 30S, рРНК 23S/5S/16S) меньше, чем эукариотическая 80S (60S + 40S, рРНК 28S/5,8S/5S/18S). На этом различии основана избирательность антибиотиков.

Почему рибосому называют рибозимом? Потому что реакцию образования пептидной связи катализирует рибонуклеиновая кислота - 23S рРНК большой субъединицы, а не белок. Это пример каталитической активности РНК.

Сколько белков в прокариотической рибосоме? Около 21 белка в малой субъединице (S1–S21) и порядка 31–34 в большой (L1–L34), итого примерно 50–55 рибосомных белков на полную 70S-частицу.

Коротко

Рибосома прокариот 70S структура складывается из малой субъединицы 30S (16S рРНК и ~21 белок, декодирование мРНК) и большой 50S (23S и 5S рРНК, ~31–34 белка, пептидилтрансферазный центр). Число «70S» - нелинейный коэффициент седиментации, поэтому $50S + 30S = 70S$. На стыке субъединиц лежат сайты A, P и E, через которые проходит тРНК во время инициации, элонгации, терминации и рециклинга. Каталитический центр образован рРНК - рибосома является рибозимом. Отличия 70S от эукариотической 80S делают её избирательной мишенью антибиотиков, бьющих по 30S (аминогликозиды, тетрациклины) или по 50S (макролиды, хлорамфеникол).