Где синтезируется рРНК. Рибосомные рибонуклеиновые кислоты рРНК: характеристика, строение и описание

Молекулярная биология занимается изучением строения и функций молекул органических веществ, входящих в состав живых клеток растений, животных и человека. Особое место среди них отводится группе соединений, названных нуклеиновыми (ядерными) кислотами.

Различают два вида: дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую. Последняя имеет несколько модификаций: и-РНК, т-РНК и р-РНК, различающихся своими функциями и местом локализации в клетке. Данная статья посвящена изучению следующих вопросов: где синтезируется рРНК в прокариотических и эукариотических клетках, каково её строение и значение.

Историческая справка

Первые научные упоминания о рибосомной кислоте можно найти в исследованиях Р. Вайнберга и Ш. Пенмана в 60-х годах XX столетия, которые описали короткие полинуклеотидные молекулы, относящиеся к рибонуклеиновым кислотам, но отличающиеся пространственным строением и коэффициентом седиментации от информационных и транспортных РНК. Чаще всего их молекулы находили в составе ядрышка, а также в клеточных органеллах – рибосомах, отвечающих за синтез клеточного белка. Их назвали рибосомными (рибосомные рибонуклеиновые кислоты).

Характеристика РНК

Рибонуклеиновая кислота, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды 4-х видов: адениновый, гуаниновый, урациловый и цитидиновый, соединенные фосфодиэфирными связями в длинные одноцепочные молекулы, закрученные в виде спирали или имеющие более сложные конформации. Существуют и двухцепочные рибосомные рибонуклеиновые кислоты, встречающиеся у РНК-содержащих вирусов и дублирующие функции ДНК: сохранение и передачу наследственных признаков.

Три вида кислот встречаются в клетке наиболее часто, это: матричная, или информационная, РНК, транспортная рибосомная рибонуклеиновая кислота, к которой присоединяются аминокислоты, а также рибосомальная кислота, находящаяся в ядрышке и клеточной цитоплазме.

Рибосомная РНК составляет около 80% от общего количества рибонуклеиновых кислот в клетке и 60% массы рибосомы – органоида, синтезирующего клеточный белок. Все вышеперечисленные виды синтезируются (транскрибируются) на определенных участках ДНК, названных РНК-генами. В процессе синтеза задействованы молекулы специального фермента – РНК-полимеразы. Место в клетке, где синтезируется рРНК, – это ядрышко, располагающееся в кариоплазме ядра.

Ядрышко, его роль в синтезе

В жизни клетки, называемой клеточным циклом, различают период между ее делениями – интерфазу. В это время в клеточном ядре хорошо видны плотные тельца зернистой структуры, называемые ядрышками и являющиеся обязательным компонентом как растительной, так и животной клетки.

В молекулярной биологии было установлено, что ядрышки являются теми органеллами, где синтезируется рРНК. Дальнейшие исследования цитологов привели к открытию участков клеточной ДНК, в которой были обнаружены гены, ответственные за строение и синтез рибосомных кислот. Их назвали ядрышковым организатором.

Ядрышковый организатор

До 60-х годов XX столетия в биологии бытовало мнение о том, что ядрышковый организатор, находящийся на месте вторичной перетяжки в 13, 14, 15, 21 и 22-й парах хромосом, имеет вид единичного участка. Ученые, занимающиеся изучением хромосомных повреждений, называемых абберациями, установили, что в момент разрыва хромосомы на участке вторичной перетяжки происходит формирование ядрышек на каждой из ее частей.

Таким образом, можно утверждать следующее: ядрышковый организатор состоит не из одного, а из нескольких локусов (генов), отвечающих за формирование ядрышка. Именно в нем синтезируются рибосомные рибонуклеиновые кислоты рРНК, образующие субъединицы белоксинтезирующих органелл клетки – рибосом.

Что такое рибосомы?

Как уже было сказано ранее, все три основных вида РНК существуют в клетке, где они синтезируются на определенных участках – генах ДНК. Образовавшиеся в результате транскрипции рибосомные РНК формируют комплексы с белками – рибонуклеопротеиды, из которых образуются составные части будущей органеллы, так называемые субъединицы. Через поры в ядерной мембране они переходят в цитоплазму и формируют в ней объединённые структуры, включающее в себя еще и молекулы и-РНК и т-РНК, называемые полисомами.

Сами рибосомы могут разделяться под действием ионов кальция и существовать отдельно в виде субъединиц. Обратный же процесс происходит в компартментах клеточной цитоплазмы, где протекают процессы трансляции – сборки молекул клеточных белков. Чем активнее клетка, чем интенсивнее в ней протекают процессы обмена веществ, тем больше рибосом она содержит. Например, клетки красного костного мозга, гепатоциты позвоночных животных и человека характеризуются большим количеством этих органелл в цитоплазме.

Как кодируются гены р-РНК?

Исходя из вышесказанного, строение, виды и функционирование генов рРНК зависят от ядрышковых организаторов. В них располагаются локусы, содержащие гены, кодирующие рибосомную РНК. О. Миллер, проводя исследования овогенеза в клетках тритонов, установил механизм функционирование этих генов. С них синтезировались копии р-РНК (так называемые первичные транскриптанты), содержащие около 13х103 нуклеотидов и имеющие коэффициент седиментации 45 S. Затем эта цепь проходила процесс созревания, заканчивающийся образованием трех молекул р-РНК с коэффициентами седиментации 5,8 S, 28 S и 18 S.

Механизм образования р-РНК

Возвратимся к опытам Миллера, который исследовал синтез рибосомных РНК и доказал, что ядрышковое ДНК служит шаблоном (матрицей) для образования р-РНК – транскриптанта. Он же установил, что от количества молекул фермента РНК полимеразы зависит численность незрелых рибосомальных кислот (пре-р-РНК), которые образуются. Затем происходит их созревание (процессинг), и молекулы р-РНК начинают тут же связываться с пептидами, в результате образуется рибонуклеопротеид – строительный материал рибосомы.

Особенности рибосомных кислот эукариотических клеток

Имея единые принципы строения и общие функциональные механизмы, рибосомы прокариотических и ядерных организмов все же имеют цитомолекулярные различия. Чтобы их выяснить, ученые применили метод исследования, называемый рентгеноструктурным анализом. Было выяснено, что величина эукариотической рибосомы, а значит, и р-РНК, входящих в неё, больше и коэффициент седиментации равен 80 S. Органелла, теряя ионы магния, может разделяться на две субъединицы с показателями 60 S и 40 S. Малая частица содержит одну молекулу кислоты, а большая - три, то есть ядерные клетки содержат рибосомы, состоящие из 4-х полинуклеотидных спиралей кислоты следующих характеристик: 28 S РНК – 5 тыс. нуклеотидов, 18 S – 2 тыс. 5 S – 120 нуклеотидов, 5,8 S – 160. Участок, где синтезируется рРНК в эукариотических клетках – это ядрышко, расположенное в кариоплазме ядра.

Рибосомные РНК прокариот

В отличие от р-РНК, входящих в ядерные клетки, рибосомальные рибонуклеиновые кислоты бактерий транскрибируются на уплотненном участке цитоплазмы, содержащем ДНК и называемым нуклеоидом. Он содержит рРНК гены. Транскрипция, общая характеристика которой может быть представлена в виде процесса переписывания информации с р-РНК генов ДНК в последовательность нуклеотидов рибосомной рибонуклеиновой кислоты с учетом правила комплементарности генетического кода: адениновый нуклеоитид соответствует урациловому, а гуаниновый – цитозиновому.

Р-РНК бактерии имеют меньшую молекулярную массу и более мелкие размеры, чем у ядерных клеток. Их коэффициент седиментации 70 S, а две субъединицы имеют показатели 50 S и 30 S. Меньшая частица содержит одну молекулу р-РНК, а большая – две.

Роль рибонуклеиновой кислоты в процессе трансляции

Главной функцией р-РНК является обеспечение процесса биосинтеза клеточного белка – трансляции. Она осуществляется только при наличии рибосом, содержащих р-РНК. Объединяясь в группы, они связываются с молекулой информационной ДНК, образуя полисому. К ней из цитоплазмы клетки подходят молекулы транспортной рибосомной рибонуклеиновой кислоты, несущие аминокислоты, которые, попав в полисому, связываются между собой пептидными связями, образуя полимер – белок. Он является важнейшим органическим соединением клетки, выполняющим множество важнейших функций: строительную, транспортную, энергетическую, ферментативную, защитную и сигнальную.

В данной статье были рассмотрены характеристика, строение и описание рибосомных нуклеиновых кислот, являющихся органическими биополимерами клеток растений, животных и человека.