Ribosomen: Definition, Funktion & Struktur (Eukaryoten & Prokaryoten)

Große Einzelhändler haben heutzutage "Fulfillment Center", um die schiere Menge an Online-Bestellungen zu bewältigen, die sie aus der ganzen Welt erhalten. Hier, in diesen lagerähnlichen Strukturen, werden einzelne Produkte möglichst effizient aufgespürt, verpackt und an Millionen von Zielen versandt. Winzige Strukturen, die Ribosomen genannt werden, sind faktisch die Erfüllungszentren der Zellwelt und erhalten Bestellungen für unzählige Proteinprodukte von Botenstoff-Ribonukleinsäure (mRNA) und schnell und effizient diese Produkte zusammenbauen und dorthin bringen, wo sie gebraucht werden.

Ribosomen werden im Allgemeinen als Organellen angesehen, obwohl Puristen der Molekularbiologie manchmal darauf hinweisen, dass sie in Prokaryonten (die meisten davon Bakterien) sowie Eukaryoten und haben keine Membran, die sie vom Zellinneren trennt, zwei Eigenschaften, die sein könnten disqualifizieren. Jedenfalls besitzen sowohl prokaryontische als auch eukaryontische Zellen Ribosomen, deren Struktur und Funktion zu den faszinierendere Lektionen in Biochemie, aufgrund der vielen grundlegenden Konzepte der Anwesenheit und des Verhaltens der Ribosomen unterstreichen.

Ribosomen bestehen zu etwa 60 Prozent aus Protein und zu etwa 40 Prozent ribosomale RNA (rRNA). Dies ist eine interessante Beziehung, da eine Art von RNA (Messenger-RNA oder mRNA) für die Proteinsynthese oder Translation benötigt wird. Ribosomen sind also in gewisser Weise wie ein Dessert, das sowohl aus unmodifizierten Kakaobohnen als auch aus raffinierter Schokolade besteht.

RNA ist eine von zwei Arten von Nukleinsäuren, die in der Welt der Lebewesen vorkommen, die andere ist Desoxyribonukleinsäure oder DNA. DNA ist die berüchtigtste der beiden und wird oft nicht nur in Mainstream-Wissenschaftsartikeln, sondern auch in Kriminalgeschichten erwähnt. Aber RNA ist tatsächlich das vielseitigere Molekül.

Nukleinsäuren bestehen aus Monomeren oder unterschiedlichen Einheiten, die als eigenständige Moleküle fungieren. Glykogen ist ein Polymer aus Glucosemonomeren, Proteine ​​sind Polymere aus Aminosäuremonomeren und Nukleotide sind die Monomere, aus denen DNA und RNA hergestellt werden. Nukleotide wiederum bestehen aus einem Zuckeranteil mit fünf Ringen, einem Phosphatanteil und einem stickstoffhaltigen Basenanteil. In DNA ist der Zucker Desoxyribose, während es in RNA Ribose ist; diese unterscheiden sich nur darin, dass RNA eine -OH (Hydroxyl)-Gruppe hat, während DNA eine -H (ein Proton) hat, aber die Auswirkungen auf die beeindruckende Funktionalität der RNA sind beträchtlich. Während die stickstoffhaltige Base sowohl in einem DNA-Nukleotid als auch in einem RNA-Nukleotid einer von vier möglichen Typen ist, sind diese Typen in der DNA sind Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin (A, C, G, T), während in der RNA Thymin durch Uracil ersetzt wird (A, C, G, U). Schließlich ist DNA fast immer doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist. Es ist dieser Unterschied zur RNA, der vielleicht am meisten zur Vielseitigkeit der RNA beiträgt.

Die drei Haupttypen von RNA sind die oben erwähnte mRNA und rRNA zusammen mit Transfer-RNA (tRNA). Während fast die Hälfte der Ribosomenmasse aus rRNA besteht, genießen sowohl mRNA als auch tRNA enge und unverzichtbare Beziehungen zu beiden Ribosomen und untereinander.

In eukaryotischen Organismen finden sich Ribosomen meist am endoplasmatischen Retikulum, einem Netzwerk membranartiger Strukturen, das am besten mit einem Autobahn- oder Eisenbahnsystem für Zellen verglichen wird. Einige eukaryotische Ribosomen und alle prokaryotischen Ribosomen werden frei im Zytoplasma der Zelle gefunden. Einzelne Zellen können Tausende bis Millionen von Ribosomen aufweisen; wie zu erwarten ist, haben Zellen, die viele Proteinprodukte produzieren (z. B. Pankreaszellen), eine höhere Ribosomendichte.

In Prokaryoten umfassen Ribosomen drei separate rRNA-Moleküle, während in Eukaryoten Ribosomen vier separate rRNA-Moleküle umfassen. Ribosomen bestehen aus einer großen Untereinheit und einer kleinen Untereinheit. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde die komplette dreidimensionale Struktur der Untereinheiten abgebildet. Basierend auf diesem Beweis liefert rRNA, nicht Proteine, dem Ribosom seine grundlegende Form und Funktion; Biologen hatten das schon lange vermutet. Die Proteine ​​in Ribosomen helfen in erster Linie, strukturelle Lücken zu schließen und verbessern die Hauptaufgabe des Ribosoms – die Synthese von Proteinen. Die Proteinsynthese kann ohne diese Proteine ​​erfolgen, jedoch in einem viel langsameren Tempo.

Die De-facto-Masseneinheiten von Ribosomen sind ihre Svedberg (S)-Werte, die darauf basieren, wie schnell sich die Untereinheiten unter der Zentripetalkraft einer Zentrifuge am Boden von Reagenzgläsern absetzen. Die Ribosomen eukaryontischer Zellen haben normalerweise Svedberg-Werte von 80S und bestehen aus 40er- und 60er-Untereinheiten. (Beachten Sie, dass S-Einheiten eindeutig keine tatsächlichen Massen sind; andernfalls würde die Mathematik hier keinen Sinn ergeben.) Im Gegensatz dazu enthalten prokaryontische Zellen Ribosomen, die 70S erreichen und in 30S- und 50S-Untereinheiten aufgespalten sind.

Sowohl Proteine ​​als auch Nukleinsäuren, die jeweils aus ähnlichen, aber nicht identischen Monomereinheiten bestehen, haben eine Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur. Die Primärstruktur der RNA ist ihre Anordnung der einzelnen Nukleotide, die wiederum von ihren stickstoffhaltigen Basen abhängt. Beispielsweise beschreiben die Buchstaben AUCGGCAUGC eine zehn Nukleotide lange Nukleinsäurekette (so kurz "Polynukleotid" genannt) mit den Basen Adenin, Uracil, Cytosin und Guanin. Die Sekundärstruktur der RNA beschreibt, wie der String dank elektrochemischer Wechselwirkungen zwischen den Nukleotiden in einer einzigen Ebene Krümmungen und Knicke annimmt. Wenn Sie eine Perlenkette auf einen Tisch legen und die Kette, die sie verbindet, nicht gerade war, würden Sie die Sekundärstruktur der Perlen betrachten. Schließlich bezieht sich die tertiäre Striktur darauf, wie sich das gesamte Molekül im dreidimensionalen Raum anordnet. Um mit dem Perlenbeispiel fortzufahren, könnten Sie es vom Tisch nehmen und in der Hand zu einer Kugel zusammendrücken oder sogar in eine Bootsform falten.

Lange bevor die modernen Labormethoden von heute zur Verfügung standen, konnten Biochemiker Vorhersagen über die Sekundärstruktur der rRNA basierend auf der bekannten Primärsequenz und den elektrochemischen Eigenschaften des Individuums Basen. War beispielsweise A geneigt, sich mit U zu paaren, wenn sich ein vorteilhafter Knick bildete und sie in die Nähe brachte? In den frühen 2000er Jahren bestätigte die kristallographische Analyse viele der Ideen der frühen Forscher über die Form der rRNA und trug dazu bei, ihre Funktion weiter zu beleuchten. Die kristallographischen Studien zeigten beispielsweise, dass rRNA sowohl an der Proteinsynthese beteiligt ist als auch strukturelle Unterstützung bietet, ähnlich wie die Proteinkomponente von Ribosomen. rRNA macht den größten Teil der molekularen Plattform aus, auf der die Translation stattfindet, und hat katalytische Aktivität, was bedeutet, dass rRNA direkt an der Proteinsynthese beteiligt ist. Dies hat dazu geführt, dass einige Wissenschaftler den Begriff "Ribozym" (d. h. "Ribosomenenzym") anstelle von "Ribosom" verwenden, um die Struktur zu beschreiben.

E. coli Bakterien bieten ein Beispiel dafür, wie viel Wissenschaftler über die ribosomale Struktur von Prokaryonten lernen konnten. Die große Untereinheit oder LSU des E. coli Ribosom besteht aus unterschiedlichen 5S- und 23S-rRNA-Einheiten und 33 Proteinen, die r-Proteine ​​für "ribsomal" genannt werden. Die kleine Untereinheit oder SSU umfasst einen 16S rRNA-Anteil und 21 r-Proteine. Grob gesagt ist die SSU also etwa zwei Drittel der Größe der LSU. Darüber hinaus umfasst die rRNA der LSU sieben Domänen, während die rRNA der SSU in vier Domänen unterteilt werden kann.

Die rRNA eukaryontischer Ribosomen hat etwa 1.000 Nukleotide mehr als die rRNA prokaryontischer Ribosomen – etwa 5.500 vs. 4,500. Wohingegen E. coli Ribosomen weisen 54 r-Proteine ​​zwischen LSU (33) und SSU (21) auf, eukaryotische Ribosomen haben 80 r-Proteine. Das eukaryotische Ribosom enthält auch rRNA-Expansionssegmente, die sowohl strukturelle als auch Proteinsynthese-Rollen spielen.

Die Aufgabe des Ribosoms besteht darin, die gesamte Bandbreite an Proteinen herzustellen, die ein Organismus benötigt, von Enzymen über Hormone bis hin zu Teilen von Zellen und Muskeln. Dieser Vorgang wird Translation genannt und ist der dritte Teil des zentralen Dogmas der Molekularbiologie: DNA zu mRNA (Transkription) zu Protein (Translation).

Der Grund dafür, dass dies als Translation bezeichnet wird, ist, dass die Ribosomen, die sich selbst überlassen sind, keine unabhängige Möglichkeit haben, "wissen", welche Proteine ​​in welcher Menge hergestellt werden müssen, obwohl alle Rohstoffe, die Ausrüstung und die Arbeitskräfte vorhanden sind erforderlich. Um auf die Analogie zum "Fulfillment Center" zurückzukommen, stellen Sie sich vor, wie einige Tausend Arbeiter die Gänge und Stationen eines dieser riesigen Orte, die sich nach Spielsachen, Büchern und Sportartikeln umschauen, aber keine Anweisungen aus dem Internet (oder anderswo) bekommen, was machen. Nichts würde passieren, oder zumindest nichts Produktives für das Geschäft.

Was dann übersetzt wird, sind die Anweisungen, die in mRNA kodiert sind, die wiederum den Code von der DNA im Zellkern erhält (wenn der Organismus ein Eukaryont ist; Prokaryonten fehlen Kerne). Bei der Transkription wird mRNA aus einer DNA-Matrize hergestellt, wobei die Nukleotide an die wachsende mRNA-Kette entsprechend den Nukleotiden des Matrizen-DNA-Strangs auf der Ebene von Basenpaarung. A in DNA erzeugt U in RNA, C generiert G, G generiert C und T generiert A. Da diese Nukleotide in einer linearen Sequenz erscheinen, können sie in Gruppen von zwei, drei, zehn oder einer beliebigen Anzahl eingebaut werden. Zufälligerweise wird eine Gruppe von drei Nukleotiden auf einem mRNA-Molekül aus Gründen der Spezifität als Codon oder "Triplett-Codon" bezeichnet. Jedes Codon trägt die Anweisungen für eine von 20 Aminosäuren, an die Sie sich erinnern werden, die Bausteine ​​​​von Proteinen. Zum Beispiel sind AUG, CCG und CGA alle Codons und tragen die Anweisungen zur Herstellung einer bestimmten Aminosäure. Es gibt 64 verschiedene Codons (4 Basen hoch 3 = 64), aber nur 20 Aminosäuren; Als Ergebnis werden die meisten Aminosäuren von mehr als einem Triplett kodiert und einige Aminosäuren werden von sechs verschiedenen Triplett-Codons spezifiziert.

Die Proteinsynthese erfordert noch eine weitere Art von RNA, tRNA. Diese Art von RNA bringt die Aminosäuren physikalisch zum Ribosom. Ein Ribosom hat drei benachbarte tRNA-Bindungsstellen, wie personalisierte Parkplätze. Einer ist der Aminoacyl Bindungsstelle, die für das tRNA-Molekül ist, das an die nächste Aminosäure im Protein, dh die ankommende Aminosäure, gebunden ist. Das zweite ist das Peptidyl Bindungsstelle, an der sich das zentrale tRNA-Molekül anheftet, das die wachsende Peptidkette enthält. Der dritte und letzte ist ein Ausfahrt Bindungsstelle, wo verwendet, werden nun leere tRNA-Moleküle aus dem Ribosom entladen.

Sobald Aminosäuren polymerisiert sind und sich ein Proteinrückgrat gebildet hat, setzt das Ribosom das Protein frei, das dann in Prokaryonten ins Zytoplasma und in Eukaryonten zu den Golgi-Körpern transportiert wird. Die Proteine ​​werden dann vollständig verarbeitet und freigesetzt, entweder innerhalb oder außerhalb der Zelle, da alle Ribosomen Proteine ​​für den lokalen und fernen Gebrauch produzieren. Ribosomen sind sehr effizient; eine einzelne in einer eukaryontischen Zelle kann jede Sekunde zwei Aminosäuren zu einer wachsenden Proteinkette hinzufügen. In Prokaryoten arbeiten Ribosomen in einem fast hektischen Tempo, indem sie jede Sekunde 20 Aminosäuren zu einem Polypeptid hinzufügen.

Eine Evolutions-Fußnote: Bei Eukaryoten sind Ribosomen zusätzlich zu den oben genannten Stellen auch in den Mitochondrien von Tieren und den Chloroplasten von Pflanzen zu finden. Diese Ribosomen unterscheiden sich in Größe und Zusammensetzung stark von anderen Ribosomen, die in diesen Zellen vorkommen, und ähneln den prokaryotischen Ribosomen von Bakterien- und Blaualgenzellen. Dies gilt als ziemlich starker Beweis dafür, dass sich Mitochondrien und Chloroplasten aus angestammten Prokaryonten entwickelt haben.