الريبوسومات: التعريف والوظيفة والبنية (حقيقيات النوى وبدائيات النوى)

يوجد لدى كبار تجار التجزئة هذه الأيام "مراكز تنفيذ" للتعامل مع الحجم الهائل للطلبات عبر الإنترنت التي يتلقونها من جميع أنحاء العالم. هنا ، في هذه الهياكل الشبيهة بالمستودعات ، يتم تعقب المنتجات الفردية وتعبئتها وشحنها إلى ملايين الوجهات بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. الهياكل الصغيرة التي تسمى الريبوسومات هي في الواقع مراكز الوفاء بالعالم الخلوي ، حيث تتلقى طلبات لعدد لا يحصى من المنتجات البروتينية من مرسال حمض الريبونوكلييك (مرنا) وتجميع هذه المنتجات بسرعة وكفاءة وفي الطريق إلى حيث تحتاج إليها.

تعتبر الريبوسومات بشكل عام عضيات ، على الرغم من أن علماء البيولوجيا الجزيئية يشيرون أحيانًا إلى أنها موجودة في بدائيات النوى (معظمها منها البكتيريا) وكذلك حقيقيات النوى وتفتقر إلى غشاء يفصلها عن داخل الخلية ، وهما صفتان يمكن أن تكونا تنحية. على أي حال ، تمتلك كل من الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة ريبوسومات ، وهيكل ووظيفة من بين المزيد من الدروس الرائعة في الكيمياء الحيوية ، بسبب عدد المفاهيم الأساسية لوجود وسلوك الريبوسومات شرطة سفلية.

تتكون الريبوسومات من حوالي 60 في المائة من البروتين وحوالي 40 في المائة

الحمض النووي الريبي هو أحد نوعين من الأحماض النووية الموجودة في عالم الكائنات الحية ، والآخر هو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين أو الحمض النووي. الحمض النووي هو الأكثر شهرة بين الاثنين ، وغالبًا ما يتم ذكره ليس فقط في المقالات العلمية السائدة ولكن أيضًا في قصص الجريمة. لكن الحمض النووي الريبي هو في الواقع الجزيء الأكثر تنوعًا.

تتكون الأحماض النووية من مونومرات ، أو وحدات مميزة تعمل كجزيئات قائمة بذاتها. الجليكوجين هو بوليمر من مونومرات الجلوكوز ، والبروتينات عبارة عن بوليمرات من مونومرات الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات هي المونومرات التي يتكون منها DNA و RNA. تتكون النيوكليوتيدات بدورها من جزء سكر خماسي الحلقات وجزء فوسفات وجزء نيتروجيني أساسي. في الحمض النووي ، يكون السكر هو الديوكسيريبوز ، بينما في الحمض النووي الريبي هو الريبوز. هذه تختلف فقط في أن الحمض النووي الريبي يحتوي على مجموعة -OH (هيدروكسيل) حيث يحتوي الحمض النووي على a -H (بروتون) ، ولكن الآثار المترتبة على مجموعة وظائف RNA المثيرة للإعجاب كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن القاعدة النيتروجينية في كل من نوكليوتيد الحمض النووي ونيوكليوتيد الحمض النووي الريبي هي واحدة من أربعة أنواع محتملة ، فهذه الأنواع في الحمض النووي هي الأدينين والسيتوزين والجوانين والثيمين (A ، C ، G ، T) بينما في RNA ، يتم استبدال اليوراسيل بالثيمين (A ، C ، G ، يو). أخيرًا ، يكون الحمض النووي دائمًا ثنائي الشريطة تقريبًا ، بينما يكون الحمض النووي الريبي أحادي السلسلة. ربما يكون هذا الاختلاف عن الحمض النووي الريبي هو السبب الأكبر في تعدد استخدامات الحمض النووي الريبي.

الأنواع الثلاثة الرئيسية من الحمض النووي الريبي هي mRNA المذكورة أعلاه و rRNA جنبا إلى جنب مع نقل الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي النقال). في حين أن ما يقرب من نصف كتلة الريبوسومات هو الرنا الريباسي ، فإن الرنا المرسال و الرنا المرسال يتمتع كلاهما بعلاقات حميمة ولا غنى عنها مع كل من الريبوسومات وبعضها البعض.

في الكائنات حقيقية النواة ، توجد الريبوسومات في الغالب مرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية ، وهي شبكة من الهياكل الغشائية يمكن تشبيهها بشكل أفضل بالطريق السريع أو نظام السكك الحديدية للخلايا. تم العثور على بعض الريبوسومات حقيقية النواة وجميع الريبوسومات بدائية النواة مجانًا في سيتوبلازم الخلية. قد تحتوي الخلايا الفردية على آلاف إلى ملايين الريبوسومات ؛ كما قد تتوقع ، فإن الخلايا التي تنتج الكثير من منتجات البروتين (مثل خلايا البنكرياس) لديها كثافة أعلى من الريبوسومات.

في بدائيات النوى ، تشتمل الريبوسومات على ثلاثة جزيئات منفصلة من الرنا الريباسي ، بينما تشتمل الريبوسومات في حقيقيات النوى على أربعة جزيئات منفصلة من الرنا الريباسي. تتكون الريبوسومات من وحدة فرعية كبيرة ووحدة فرعية صغيرة. في بداية القرن الحادي والعشرين ، تم وضع خريطة كاملة للهيكل ثلاثي الأبعاد للوحدات الفرعية. بناءً على هذا الدليل ، فإن الرنا الريباسي ، وليس البروتينات ، يمد الريبوسوم بشكله الأساسي ووظيفته ؛ لطالما اشتبه علماء الأحياء بهذا القدر. تساعد البروتينات الموجودة في الريبوسومات بشكل أساسي في سد الفجوات الهيكلية وتعزيز الوظيفة الرئيسية للريبوسوم - تخليق البروتينات. يمكن أن يحدث تخليق البروتين بدون هذه البروتينات ، ولكنه يحدث بوتيرة أبطأ بكثير.

وحدات الكتلة الفعلية للريبوسومات هي قيم Svedberg (S) الخاصة بها ، والتي تعتمد على مدى سرعة استقرار الوحدات الفرعية في قاع أنابيب الاختبار تحت قوة الجاذبية المركزية لجهاز الطرد المركزي. عادةً ما تحتوي ريبوسومات الخلايا حقيقية النواة على قيم Svedberg من 80S وتتكون من 40s و 60s. (لاحظ أن الوحدات S من الواضح أنها ليست كتلًا فعلية ؛ خلاف ذلك ، فإن الرياضيات هنا لا معنى لها.) على النقيض من ذلك ، تحتوي الخلايا بدائية النواة على ريبوسومات تصل إلى 70S ، مقسمة إلى وحدات فرعية 30S و 50S.

كل من البروتينات والأحماض النووية ، كل منها مصنوع من وحدات أحادية متشابهة ولكن ليست متطابقة ، لها بنية أولية وثانوية وثالثية. الهيكل الأساسي للحمض النووي الريبي هو ترتيب النيوكليوتيدات الفردية ، والتي تعتمد بدورها على قواعدها النيتروجينية. على سبيل المثال ، تصف الأحرف AUCGGCAUGC سلسلة مكونة من عشرة نيوكليوتيدات من الحمض النووي (تسمى "عديد النوكليوتيد" عندما تكون قصيرة) مع القواعد الأدينين واليوراسيل والسيتوزين والجوانين. يصف التركيب الثانوي للحمض النووي الريبي كيف تفترض السلسلة الانحناءات والتواءات في مستوى واحد بفضل التفاعلات الكهروكيميائية بين النيوكليوتيدات. إذا وضعت سلسلة من الخرز على طاولة ولم تكن السلسلة التي تربطهم مستقيمة ، فستنظر إلى الهيكل الثانوي للخرز. أخيرًا ، يشير التضييق الثلاثي إلى كيفية ترتيب الجزيء بأكمله نفسه في مساحة ثلاثية الأبعاد. متابعة مع مثال الخرز ، يمكنك التقاطه من على الطاولة وضغطه في شكل يشبه الكرة في يدك ، أو حتى طيها في شكل قارب.

قبل أن تصبح الأساليب المختبرية المتقدمة متاحة اليوم ، كان علماء الكيمياء الحيوية قادرين على عمل تنبؤات عنها البنية الثانوية للـ rRNA بناءً على التسلسل الأولي المعروف والخصائص الكهروكيميائية للفرد القواعد. على سبيل المثال ، هل كان A يميل إلى الاقتران مع U إذا تم تشكيل شبك مفيد وجعلهما قريبين من بعضهما البعض؟ في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، أكد التحليل البلوري العديد من أفكار الباحثين الأوائل حول شكل الرنا الريباسي ، مما ساعد في إلقاء مزيد من الضوء على وظيفته. على سبيل المثال ، أظهرت الدراسات البلورية أن الرنا الريباسي يشارك في تخليق البروتين ويقدم دعمًا هيكليًا ، يشبه إلى حد كبير مكون بروتين الريبوسومات. يشكل الرنا الريباسي معظم المنصة الجزيئية التي تحدث الترجمة عليها وله نشاط تحفيزي ، مما يعني أن الرنا الريباسي يشارك مباشرة في تخليق البروتين. وقد أدى ذلك إلى قيام بعض العلماء باستخدام مصطلح "الريبوزيم" (أي "إنزيم الريبوسوم") بدلاً من "الريبوسوم" لوصف البنية.

E. القولونية تقدم البكتيريا مثالاً على مدى تمكن العلماء من التعرف على بنية الريبوسوم بدائيات النواة. الوحدة الفرعية الكبيرة ، أو LSU ، من E. القولونية يتكون الريبوسوم من وحدات الرنا الريباسي 5S و 23S المتميزة و 33 بروتينًا ، تسمى بروتينات r لـ "الريبسوم". تتضمن الوحدة الفرعية الصغيرة ، أو SSU ، جزءًا واحدًا من الرنا الريباسي 16S و 21 بروتينًا r. بشكل تقريبي ، إذن ، يبلغ حجم SSU حوالي ثلثي حجم LSU. بالإضافة إلى ذلك ، يشتمل rRNA الخاص بـ LSU على سبعة مجالات ، بينما يمكن تقسيم rRNA الخاص بوحدة SSU إلى أربعة مجالات.

يحتوي الرنا الريباسي للريبوسومات حقيقية النواة على حوالي 1000 نيوكليوتيد أكثر من الرنا الريباسي للريبوزومات بدائية النواة - حوالي 5500 مقابل. 4,500. بينما E. القولونية تتميز الريبوسومات بـ 54 بروتين r بين LSU (33) و SSU (21) ، تحتوي الريبوسومات حقيقية النواة على 80 بروتين r. يشمل الريبوسوم حقيقيات النوى أيضًا مقاطع توسيع الرنا الريباسي ، والتي تلعب دورًا هيكليًا وتخليق البروتين.

تتمثل وظيفة الريبوسوم في صنع مجموعة كاملة من البروتينات التي يتطلبها الكائن الحي ، من الإنزيمات إلى الهرمونات إلى أجزاء من الخلايا والعضلات. تسمى هذه العملية الترجمة ، وهي الجزء الثالث من العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: DNA إلى mRNA (النسخ) إلى البروتين (الترجمة).

سبب تسمية هذا بالترجمة هو أن الريبوسومات ، التي تُترك لأجهزتها الخاصة ، ليس لها طريقة مستقلة لذلك "تعرف" ما هي البروتينات التي يجب صنعها ومقدارها ، على الرغم من وجود جميع المواد الخام والمعدات والقوى العاملة مطلوب. بالعودة إلى تشبيه "مركز الإنجاز" ، تخيل بضعة آلاف من العمال يملأون الممرات والمحطات في أحد هذه الشركات الضخمة الأماكن ، والنظر حولك إلى الألعاب والكتب والسلع الرياضية ولكن لا تحصل على أي توجيه من الإنترنت (أو من أي مكان آخر) حول ماذا لكى يفعل. لن يحدث أي شيء ، أو على الأقل لا شيء مثمر للأعمال.

ما يُترجم إذن هو التعليمات المشفرة في mRNA ، والتي بدورها تحصل على الشفرة من الحمض النووي في نواة الخلية (إذا كان الكائن من حقيقيات النوى ؛ بدائيات النوى تفتقر إلى النوى). في عملية النسخ ، يتكون mRNA من قالب DNA ، مع إضافة النيوكليوتيدات إلى تزايد سلسلة الرنا المرسال المطابقة للنيوكليوتيدات لقالب DNA على مستوى قاعدة الاقتران. يولد A في DNA U في RNA ، C يولد G ، G يولد C ، و T يولد A. نظرًا لأن هذه النيوكليوتيدات تظهر في تسلسل خطي ، فيمكن دمجها في مجموعات من اثنين أو ثلاثة أو عشرة أو أي عدد. كما يحدث ، فإن مجموعة من ثلاثة نيوكليوتيدات على جزيء الرنا المرسال تسمى كودون ، أو "كودون ثلاثي" لأغراض الخصوصية. يحمل كل كودون التعليمات الخاصة بواحد من 20 من الأحماض الأمينية ، والتي سوف تتذكر أنها اللبنات الأساسية للبروتينات. على سبيل المثال ، AUG و CCG و CGA كلها رموز وتحمل التعليمات الخاصة بصنع حمض أميني معين. يوجد 64 كودونًا مختلفًا (4 قواعد مرفوعة إلى أس 3 تساوي 64) ولكن فقط 20 حمضًا أمينيًا ؛ نتيجة لذلك ، يتم ترميز معظم الأحماض الأمينية بأكثر من ثلاثة توائم ، ويتم تحديد زوجين من الأحماض الأمينية بستة أكواد ثلاثية مختلفة.

يتطلب تخليق البروتين نوعًا آخر من الحمض النووي الريبي ، الحمض الريبي النووي النقال. هذا النوع من الحمض النووي الريبي يجلب الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم. يحتوي الريبوسوم على ثلاثة مواقع ربط tRNA مجاورة ، مثل أماكن وقوف السيارات المخصصة. واحد هو أمينوسيل موقع الارتباط ، وهو لجزيء tRNA المرتبط بالحمض الأميني التالي في البروتين ، أي الحمض الأميني الوارد. والثاني هو ببتيدل موقع الربط ، حيث يرتبط جزيء الحمض الريبي النووي النقال المركزي الذي يحتوي على سلسلة الببتيد المتنامية. الثالث والأخير هو خروج موقع الربط ، حيث يتم استخدامه ، يتم تفريغ جزيئات الحمض النووي الريبي الفارغة الآن من الريبوسوم.

بمجرد بلمرة الأحماض الأمينية وتشكيل العمود الفقري للبروتين ، يطلق الريبوسوم البروتين ، والذي يتم نقله بعد ذلك في بدائيات النوى إلى السيتوبلازم وفي حقيقيات النوى إلى أجسام جولجي. يتم بعد ذلك معالجة البروتينات وإطلاقها بالكامل ، إما داخل الخلية أو خارجها ، حيث تنتج جميع الريبوسومات بروتينات للاستخدام المحلي والبعيد. الريبوسومات فعالة للغاية ؛ يمكن لواحد في خلية حقيقية النواة أن يضيف اثنين من الأحماض الأمينية إلى سلسلة بروتينية متنامية كل ثانية. في بدائيات النوى ، تعمل الريبوسومات بوتيرة محمومة تقريبًا ، مضيفة 20 من الأحماض الأمينية إلى عديد الببتيد كل ثانية.

حاشية سفلية للتطور: في حقيقيات النوى ، يمكن أيضًا العثور على الريبوسومات ، بالإضافة إلى كونها موجودة في البقع المذكورة أعلاه ، في الميتوكوندريا في الحيوانات وفي البلاستيدات الخضراء للنباتات. تختلف هذه الريبوسومات اختلافًا كبيرًا في الحجم والتركيب عن الريبوسومات الأخرى الموجودة في هذه الخلايا ، وتستمع إلى الريبوسومات بدائية النواة لخلايا الطحالب البكتيرية والأزرق والأخضر. يعتبر هذا دليلًا قويًا بشكل معقول على أن الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء تطورت من بدائيات النوى الأسلاف.