Ποιος ανακάλυψε τη δομή του ριβοσώματος;

Τα ριβοσώματα είναι γνωστά ως πρωτεΐνες όλων των κυττάρων. Οι πρωτεΐνες ελέγχουν και χτίζουν τη ζωή.

Ως εκ τούτου, ριβοσώματα είναι απαραίτητα για τη ζωή. Παρά την ανακάλυψή τους στη δεκαετία του 1950, χρειάστηκαν αρκετές δεκαετίες για να διευκρινίσουν οι επιστήμονες τη δομή των ριβοσωμάτων.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Τα ριβοσώματα, γνωστά ως πρωτεϊνικά εργοστάσια όλων των κυττάρων, ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από τον George E. Palade. Ωστόσο, η δομή των ριβοσωμάτων καθορίστηκε δεκαετίες αργότερα από την Ada E. Yonath, Thomas A. Steitz και Venkatraman Ramakrishnan.

Τα ριβοσώματα παίρνουν το όνομά τους από το «ριβό» του ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) και το «soma», το οποίο είναι λατινικά για το «σώμα».

Οι επιστήμονες ορίζουν τα ριβοσώματα ως μια δομή που βρίσκεται στα κύτταρα, ένα από τα πολλά μικρότερα κυτταρικά υποσύνολα που ονομάζονται οργανίδια. Τα ριβοσώματα έχουν δύο υπομονάδες, μία μεγάλη και μία μικρή. Ο πυρήνας δημιουργεί αυτές τις υπομονάδες, οι οποίες ενώνονται μαζί. Ριβοσωμικό RNA και πρωτεΐνες (ριβοπρωτεΐνεςσυνθέτουν ένα ριβόσωμα.

Μερικά ριβοσώματα επιπλέουν μεταξύ του κυτόπλασμα του κελιού, ενώ άλλοι συνδέονται με το ενδοπλασματικό πρόγραμμα (ER). Το ενδοπλασματικό δίκτυο είναι γεμάτο με ριβοσώματα τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο (RER); ο ομαλό ενδοπλασματικό πρόγραμμα (SER) δεν έχει προσαρτηθεί ριβοσώματα.

Ανάλογα με τον οργανισμό, ένα κύτταρο μπορεί να έχει αρκετές χιλιάδες ή και εκατομμύρια ριβοσώματα. Τα ριβοσώματα υπάρχουν τόσο σε προκαρυωτικά όσο και σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Μπορούν επίσης να βρεθούν σε βακτήρια, μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες. Τα ριβοσώματα είναι πιο διαδεδομένα σε κύτταρα που απαιτούν συνεχή σύνθεση πρωτεϊνών, όπως εγκεφαλικά ή παγκρεατικά κύτταρα.

Μερικά ριβοσώματα μπορεί να είναι αρκετά μαζικά. Στα ευκαρυωτικά, μπορούν να έχουν 80 πρωτεΐνες και να αποτελούνται από αρκετά εκατομμύρια άτομα. Το τμήμα RNA τους καταλαμβάνει περισσότερο από τη μάζα από το τμήμα πρωτεΐνης τους.

Τα ριβοσώματα λαμβάνουν κωδικόνια, οι οποίες είναι σειρές τριών νουκλεοτιδίων, από το messenger RNA (mRNA). Ένα κωδικόνιο χρησιμεύει ως πρότυπο από το DNA του κυττάρου για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Τα ριβοσώματα μετά μεταφράζουν τα κωδικόνια και τα ταιριάζουν με ένα αμινοξύ από μεταφορά RNA (tRNA). Αυτό είναι γνωστό ως μετάφραση.

Το ριβόσωμα έχει τρεις θέσεις δέσμευσης tRNA: α αμινοακύλιο δεσμευτική τοποθεσία (τοποθεσία A) για την προσάρτηση αμινοξέων, α πεπτιδυλ site (P site) και ένα έξοδος ιστότοπος (ιστότοπος E).

Μετά από αυτή τη διαδικασία, το μεταφρασμένο αμινοξύ βασίζεται σε μια πρωτεΐνη αλυσίδα που ονομάζεται α πολυπεπτίδιο, έως ότου τα ριβοσώματα ολοκληρώσουν το έργο τους για την παραγωγή μιας πρωτεΐνης. Μόλις το πολυπεπτίδιο απελευθερωθεί στο κυτταρόπλασμα, συνεχίζει να γίνεται μια λειτουργική πρωτεΐνη. Αυτή η διαδικασία είναι γιατί τα ριβοσώματα συχνά ορίζονται ως εργοστάσια πρωτεΐνης. Τα τρία στάδια της παραγωγής πρωτεϊνών ονομάζονται έναρξη, επιμήκυνση και μετάφραση.

Αυτά τα μηχανικά ριβοσώματα λειτουργούν γρήγορα, γειτονικά 200 αμινοξέα ανά λεπτό σε ορισμένες περιπτώσεις. τα προκαρυωτικά μπορούν να προσθέσουν 20 αμινοξέα ανά δευτερόλεπτο. Οι σύνθετες πρωτεΐνες χρειάζονται μερικές ώρες για να συγκεντρωθούν. Τα ριβοσώματα παράγουν τις περισσότερες από τις 10 δισεκατομμύρια πρωτεΐνες στα κύτταρα των θηλαστικών.

Οι ολοκληρωμένες πρωτεΐνες μπορεί με τη σειρά τους να υποστούν περαιτέρω αλλαγές ή αναδίπλωση. αυτό ονομάζεται μετα-μεταφραστική τροποποίηση. Σε ευκαρυώτες, το Συσκευές Golgi συμπληρώνει την πρωτεΐνη πριν απελευθερωθεί. Μόλις τα ριβοσώματα ολοκληρώσουν τη δουλειά τους, οι υπομονάδες τους είτε ανακυκλώνονται είτε αποσυναρμολογούνται.

Τζορτζ Ε. Η Palade ανακάλυψε για πρώτη φορά ριβοσώματα το 1955. Η περιγραφή του ριβοσώματος του Palade τα απεικονίζει ως κυτταροπλασματικά σωματίδια που σχετίζονται με τη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου. Ο Palade και άλλοι ερευνητές βρήκαν τη λειτουργία των ριβοσωμάτων, η οποία ήταν η σύνθεση πρωτεϊνών.

Ο Francis Crick θα συνεχίσει να σχηματίζει το κεντρικό δόγμα της βιολογίας, η οποία συνοψίζει τη διαδικασία οικοδόμησης της ζωής ως «Το DNA κάνει το RNA να κάνει πρωτεΐνες».

Ενώ το γενικό σχήμα καθορίστηκε χρησιμοποιώντας εικόνες μικροσκοπίας ηλεκτρονίων, θα χρειαστούν αρκετές ακόμη δεκαετίες για να προσδιοριστεί η πραγματική δομή των ριβοσωμάτων. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο συγκριτικά τεράστιο μέγεθος των ριβοσωμάτων, το οποίο ανέστειλε την ανάλυση της δομής τους σε κρυσταλλική μορφή.

Ενώ ο Palade ανακάλυψε το ριβόσωμα, άλλοι επιστήμονες καθόρισαν τη δομή του. Τρεις ξεχωριστοί επιστήμονες ανακάλυψαν τη δομή των ριβοσωμάτων: Ada Ε. Yonath, Venkatraman Ramakrishnan και Thomas A. Στίτς. Αυτοί οι τρεις επιστήμονες βραβεύτηκαν με το Νόμπελ Χημείας το 2009.

Η ανακάλυψη τρισδιάστατης δομής ριβοσώματος πραγματοποιήθηκε το 2000. Ο Yonath, γεννημένος το 1939, άνοιξε την πόρτα για αυτήν την αποκάλυψη. Το αρχικό της έργο σε αυτό το έργο ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980. Χρησιμοποίησε μικρόβια από θερμές πηγές για να απομονώσει τα ριβοσώματά τους, λόγω της έντονης φύσης τους σε ένα σκληρό περιβάλλον. Ήταν σε θέση να κρυσταλλώσει ριβοσώματα, ώστε να μπορούν να αναλυθούν μέσω κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ.

Αυτό δημιούργησε ένα μοτίβο κουκκίδων σε έναν ανιχνευτή έτσι ώστε να μπορούν να ανιχνευθούν οι θέσεις των ριβοσωμικών ατόμων. Ο Yonath παρήγαγε τελικά υψηλής ποιότητας κρύσταλλους χρησιμοποιώντας κρυο-κρυσταλλογραφία, που σημαίνει ότι οι ριβοσωμικοί κρύσταλλοι καταψύχθηκαν για να τους βοηθήσουν να μην τους σπάσουν.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες προσπάθησαν να διευκρινίσουν τη «γωνία φάσης» για τα μοτίβα των κουκκίδων. Καθώς η τεχνολογία βελτιώθηκε, οι βελτιώσεις στη διαδικασία οδήγησαν σε λεπτομέρειες σε επίπεδο ενός ατόμου. Ο Steitz, γεννημένος το 1940, κατάφερε να ανακαλύψει ποια στάδια αντίδρασης αφορούσαν ποια άτομα, στις συνδέσεις του αμινοξέα. Βρήκε τις πληροφορίες φάσης για τη μεγαλύτερη μονάδα του ριβοσώματος το 1998.

Ο Ramakrishan, γεννημένος το 1952, με τη σειρά του εργάστηκε για την επίλυση της φάσης περίθλασης ακτίνων Χ για έναν καλό μοριακό χάρτη. Βρήκε τις πληροφορίες φάσης για τη μικρότερη υπομονάδα του ριβοσώματος.

Σήμερα, περαιτέρω εξελίξεις στην πλήρη κρυσταλλογραφία ριβοσωμάτων έχουν οδηγήσει σε καλύτερη ανάλυση των σύνθετων ριβοσωμάτων. Το 2010, οι επιστήμονες κρυστάλλωσαν με επιτυχία τα ευκαρυωτικά ριβοσώματα 80S Saccharomyces cerevisiae και μπόρεσαν να χαρτογραφήσουν τη δομή των ακτίνων X ("80S" είναι ένας τύπος κατηγοριοποίησης που ονομάζεται τιμή Svedberg. περισσότερα για αυτό σύντομα). Αυτό με τη σειρά του οδήγησε σε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση και τη ρύθμιση των πρωτεϊνών.

Τα ριβοσώματα μικρότερων οργανισμών έχουν μέχρι στιγμής αποδειχθεί ότι είναι πιο εύκολο να εργαστούν για τον προσδιορισμό της δομής του ριβοσώματος. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ίδια τα ριβοσώματα είναι μικρότερα και λιγότερο περίπλοκα. Απαιτείται περισσότερη έρευνα για τον προσδιορισμό των δομών των ριβοσωμάτων των ανώτερων οργανισμών, όπως αυτές στον άνθρωπο. Οι επιστήμονες ελπίζουν επίσης να μάθουν περισσότερα για τη ριβοσωμική δομή των παθογόνων, για να βοηθήσουν στην καταπολέμηση των ασθενειών.

Ο όρος ριβοένζυμο αναφέρεται στη μεγαλύτερη από τις δύο υπομονάδες ενός ριβοσώματος. Ένα ριβοένζυμο λειτουργεί ως ένζυμο, εξ ου και το όνομά του. Χρησιμεύει ως καταλύτης στη σύνθεση πρωτεϊνών.

Οι τιμές του Svedberg (S) περιγράφουν τον ρυθμό καθίζησης σε έναν φυγοκεντρητή. Οι επιστήμονες συχνά περιγράφουν ριβοσωμικές μονάδες χρησιμοποιώντας τιμές Svedberg. Για παράδειγμα, τα προκαρυωτικά διαθέτουν 70S ριβοσώματα που αποτελούνται από μία μονάδα με 50S και μία από 30S.

Αυτά δεν προστίθενται επειδή ο ρυθμός καθίζησης έχει μεγαλύτερη σχέση με το μέγεθος και το σχήμα από το μοριακό βάρος. Ευκαρυωτικά κύτταρα, από την άλλη πλευρά, περιέχουν 80S ριβοσώματα.

Τα ριβοσώματα είναι απαραίτητα για όλη τη ζωή, γιατί παράγουν τις πρωτεΐνες που εξασφαλίζουν τη ζωή και τα δομικά στοιχεία της. Ορισμένες βασικές πρωτεΐνες για την ανθρώπινη ζωή περιλαμβάνουν αιμοσφαιρίνη στα ερυθρά αιμοσφαίρια, ινσουλίνη και αντισώματα, μεταξύ πολλών άλλων.

Μόλις οι ερευνητές αποκάλυψαν τη δομή των ριβοσωμάτων, άνοιξε νέες δυνατότητες εξερεύνησης. Ένας τέτοιος τρόπος εξερεύνησης είναι για νέα αντιβιοτικά φάρμακα. Για παράδειγμα, νέα φάρμακα μπορεί να σταματήσουν την ασθένεια στοχεύοντας ορισμένα δομικά συστατικά των ριβοσωμάτων των βακτηρίων.

Χάρη στη δομή των ριβοσωμάτων που ανακαλύφθηκαν από τους Yonath, Steitz και Ramakrishnan, οι ερευνητές γνωρίζουν τώρα ακριβείς τοποθεσίες μεταξύ των αμινοξέων και των τοποθεσιών όπου οι πρωτεΐνες φεύγουν από τα ριβοσώματα. Το μηδέν στην τοποθεσία όπου τα αντιβιοτικά προσκολλώνται στα ριβοσώματα ανοίγει πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια στη δράση του φαρμάκου.

Αυτό είναι ζωτικής σημασίας σε μια εποχή που παλαιότερα ανθεκτικά αντιβιοτικά συναντήθηκαν με στελέχη βακτηρίων ανθεκτικά στα αντιβιοτικά. Η ανακάλυψη της δομής του ριβοσώματος είναι επομένως πολύ σημαντική για την ιατρική.