Οι μεγάλοι λιανοπωλητές αυτές τις μέρες έχουν "κέντρα εκπλήρωσης" για να χειριστούν τον τεράστιο όγκο των διαδικτυακών παραγγελιών που λαμβάνουν από όλο τον κόσμο. Εδώ, σε αυτές τις δομές που μοιάζουν με αποθήκη, μεμονωμένα προϊόντα εντοπίζονται, συσκευάζονται και αποστέλλονται σε εκατομμύρια προορισμούς όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά. Οι μικροσκοπικές δομές που ονομάζονται ριβοσώματα είναι στην πραγματικότητα τα κέντρα ικανοποίησης του κυτταρικού κόσμου, λαμβάνοντας παραγγελίες για αμέτρητα προϊόντα πρωτεΐνης από αγγελιοφόρο ριβονουκλεϊκό οξύ (mRNA) και γρήγορα και αποτελεσματικά τη συγκέντρωση αυτών των προϊόντων και στο δρόμο προς το σημείο που χρειάζονται.
Τα ριβοσώματα θεωρούνται γενικά οργανίδια, παρόλο που οι καθαριστές μοριακής βιολογίας μερικές φορές επισημαίνουν ότι βρίσκονται σε προκαρυωτικά (τα περισσότερα εκ των οποίων είναι βακτήρια) καθώς και ευκαρυωτικά και δεν έχουν μεμβράνη που τα χωρίζει από το εσωτερικό των κυττάρων, δύο χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να είναι αποκλεισμός. Σε κάθε περίπτωση, τόσο τα προκαρυωτικά κύτταρα όσο και τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαθέτουν ριβοσώματα, η δομή και η λειτουργία των οποίων είναι μεταξύ των πιο συναρπαστικά μαθήματα στη βιοχημεία, λόγω του αριθμού των θεμελιωδών εννοιών της παρουσίας και της συμπεριφοράς των ριβοσωμάτων κατω παυλα.
Από τι είναι κατασκευασμένα τα ριβοσώματα;
Τα ριβοσώματα αποτελούνται από περίπου 60 τοις εκατό πρωτεΐνη και περίπου 40 τοις εκατό ριβοσωμικό RNA (rRNA). Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα σχέση δεδομένου ότι απαιτείται ένας τύπος RNA (messenger RNA ή mRNA) για σύνθεση πρωτεϊνών ή μετάφραση. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, τα ριβοσώματα είναι σαν ένα επιδόρπιο που αποτελείται από μη τροποποιημένα φασόλια κακάο και εκλεπτυσμένη σοκολάτα.
Το RNA είναι ένας από τους δύο τύπους νουκλεϊκών οξέων που βρίσκονται στον κόσμο των ζωντανών όντων, ο άλλος είναι δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ ή DNA. Το DNA είναι το πιο διαβόητο από τα δύο, συχνά γίνεται αναφορά όχι μόνο σε επιστημονικά άρθρα αλλά και σε ιστορίες εγκλημάτων. Αλλά το RNA είναι στην πραγματικότητα το πιο ευέλικτο μόριο.
Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούνται από μονομερή ή ξεχωριστές μονάδες που λειτουργούν ως αυτόνομα μόρια. Το γλυκογόνο είναι ένα πολυμερές μονομερών γλυκόζης, οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή μονομερών αμινοξέων και τα νουκλεοτίδια είναι τα μονομερή από τα οποία παράγονται DNA και RNA. Τα νουκλεοτίδια με τη σειρά τους αποτελούνται από ένα τμήμα σακχάρου πέντε δακτυλίων, ένα τμήμα φωσφορικού και ένα άζωτο τμήμα βάσης. Στο DNA, το σάκχαρο είναι δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA είναι ριβόζη. Αυτά διαφέρουν μόνο στο ότι το RNA έχει ομάδα -ΟΗ (υδροξυλ) όπου το DNA έχει -Η (πρωτόνιο), αλλά οι επιπτώσεις στην εντυπωσιακή σειρά λειτουργικότητας του RNA είναι σημαντικές. Επιπλέον, ενώ η αζωτούχος βάση τόσο σε νουκλεοτίδιο DNA όσο και σε νουκλεοτίδιο RNA είναι ένας από τους τέσσερις πιθανούς τύπους, αυτοί οι τύποι στο DNA είναι αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη (A, C, G, T) ενώ στο RNA, η ουρακίλη αντικαθιστά τη θυμίνη (A, C, G, U). Τέλος, το DNA είναι σχεδόν πάντα διπλόκλωνο, ενώ το RNA είναι μονόκλωνο. Είναι αυτή η διαφορά από το RNA που ίσως συμβάλλει περισσότερο στην ευελιξία του RNA.
Οι τρεις κύριοι τύποι RNA είναι το προαναφερθέν mRNA και rRNA μαζί με το RNA μεταφοράς (tRNA). Ενώ σχεδόν το ήμισυ της μάζας των ριβοσωμάτων είναι το rRNA, το mRNA και το tRNA απολαμβάνουν και οι δύο στενές και απαραίτητες σχέσεις τόσο με τα ριβοσώματα όσο και με το άλλο.
Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, τα ριβοσώματα βρίσκονται ως επί το πλείστον συνδεδεμένα με το ενδοπλασματικό δίκτυο, ένα δίκτυο μεμβρανών δομών που εξομοιώνεται καλύτερα με αυτοκινητόδρομο ή σιδηροδρομικό σύστημα για κύτταρα. Ορισμένα ευκαρυωτικά ριβοσώματα και όλα τα προκαρυωτικά ριβοσώματα βρίσκονται ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Τα μεμονωμένα κύτταρα μπορεί να έχουν από χιλιάδες έως εκατομμύρια ριβοσώματα. Όπως μπορείτε να περιμένετε, τα κύτταρα που παράγουν πολλά πρωτεϊνικά προϊόντα (π.χ. παγκρεατικά κύτταρα) έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ριβοσωμάτων.
Η δομή των ριβοσωμάτων
Στα προκαρυωτικά, τα ριβοσώματα περιλαμβάνουν τρία ξεχωριστά μόρια rRNA, ενώ στα ευκαρυωτικά ριβοσώματα περιλαμβάνουν τέσσερα ξεχωριστά μόρια rRNA. Τα ριβοσώματα αποτελούνται από μια μεγάλη υπομονάδα και μια μικρή υπομονάδα. Στις αρχές του 21ου αιώνα, χαρτογραφήθηκε η πλήρης τρισδιάστατη δομή των υπομονάδων. Με βάση αυτά τα στοιχεία, το rRNA, όχι οι πρωτεΐνες, παρέχει στο ριβόσωμα τη βασική του μορφή και λειτουργία. οι βιολόγοι είχαν υποψιαστεί από καιρό. Οι πρωτεΐνες στα ριβοσώματα βοηθούν κυρίως στην κάλυψη των δομικών κενών και στην ενίσχυση της κύριας εργασίας του ριβοσώματος - τη σύνθεση πρωτεϊνών. Η σύνθεση πρωτεϊνών μπορεί να συμβεί χωρίς αυτές τις πρωτεΐνες, αλλά το κάνει με πολύ πιο αργό ρυθμό.
Οι de facto μονάδες μάζας των ριβοσωμάτων είναι οι τιμές τους Svedberg (S), οι οποίες βασίζονται στο πόσο γρήγορα οι υπομονάδες εγκαθίστανται στο κάτω μέρος των δοκιμαστικών σωλήνων υπό την κεντρομόλη δύναμη μιας φυγόκεντρου. Τα ριβοσώματα των ευκαρυωτικών κυττάρων έχουν συνήθως τιμές Svedberg 80S και αποτελούνται από υπομονάδες 40s και 60s. (σημειώστε ότι οι μονάδες S δεν είναι σαφώς πραγματικές μάζες. Διαφορετικά, τα μαθηματικά εδώ δεν θα είχαν νόημα.) Αντίθετα, τα προκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν ριβοσώματα που φτάνουν τα 70S, χωρίζονται σε 30S και 50S υπομονάδες.
Τόσο οι πρωτεΐνες όσο και τα νουκλεϊκά οξέα, καθένα από αυτά κατασκευάζονται από παρόμοιες αλλά όχι ταυτόσημες μονομερείς μονάδες, έχουν μια πρωτογενή, δευτερογενή και τριτοταγή δομή. Η κύρια δομή του RNA είναι η σειρά μεμονωμένων νουκλεοτιδίων, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τις αζωτούχες βάσεις τους. Για παράδειγμα, τα γράμματα AUCGGCAUGC περιγράφουν μια σειρά δέκα νουκλεοτιδίων νουκλεϊκού οξέος (που ονομάζεται "πολυνουκλεοτίδιο" όταν είναι τόσο μικρή) με τις βάσεις αδενίνη, ουρακίλη, κυτοσίνη και γουανίνη. Η δευτερεύουσα δομή του RNA περιγράφει πώς η συμβολοσειρά αναλαμβάνει καμπύλες και στροφές σε ένα επίπεδο χάρη στις ηλεκτροχημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νουκλεοτιδίων. Εάν βάλετε μια σειρά από χάντρες σε ένα τραπέζι και η αλυσίδα που τους ενώνει δεν ήταν ευθεία, θα κοιτάζατε τη δευτερεύουσα δομή των χαντρών. Τέλος, η τριτοβάθμια στερέωση αναφέρεται στο πώς ολόκληρο το μόριο τακτοποιείται στον τρισδιάστατο χώρο. Συνεχίζοντας με το παράδειγμα των χαντρών, θα μπορούσατε να το σηκώσετε από το τραπέζι και να το συμπιέσετε σε σχήμα μπάλας στο χέρι σας ή ακόμα και να το διπλώσετε σε σχήμα σκάφους.
Σκάψιμο βαθύτερου σε ριβοσωμική σύνθεση
Λίγο πριν από τη διάθεση των προηγμένων εργαστηριακών μεθόδων σήμερα, οι βιοχημικοί μπόρεσαν να κάνουν προβλέψεις η δευτερεύουσα δομή του rRNA με βάση τη γνωστή πρωτογενή αλληλουχία και τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες του ατόμου βάσεις. Για παράδειγμα, ήταν η A διατεθειμένη να ζευγαρώσει με το U εάν σχηματίστηκε ένα πλεονέκτημα στρέβλωσης και τα έφερε σε κοντινή απόσταση; Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, η κρυσταλλογραφική ανάλυση επιβεβαίωσε πολλές από τις ιδέες των πρώτων ερευνητών σχετικά με τη μορφή του rRNA, βοηθώντας να ρίξει περαιτέρω φως στη λειτουργία του. Για παράδειγμα, οι κρυσταλλογραφικές μελέτες έδειξαν ότι το rRNA συμμετέχει στη σύνθεση πρωτεϊνών και προσφέρει δομική υποστήριξη, όπως το πρωτεϊνικό συστατικό των ριβοσωμάτων. Το rRNA αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μοριακής πλατφόρμας στην οποία λαμβάνει χώρα η μετάφραση και έχει καταλυτική δράση, πράγμα που σημαίνει ότι το rRNA συμμετέχει άμεσα στη σύνθεση πρωτεϊνών. Αυτό οδήγησε ορισμένους επιστήμονες να χρησιμοποιούν τον όρο «ριβοένζυμο» (δηλαδή, «ένζυμο ριβοσώματος») αντί για «ριβόσωμα» για να περιγράψουν τη δομή.
ΜΙ. coli Τα βακτήρια προσφέρουν ένα παράδειγμα του πόσο οι επιστήμονες μπόρεσαν να μάθουν για την προκαρυωτική ριβοσωμική δομή. Η μεγάλη υπομονάδα, ή LSU, του ΜΙ. coli το ριβόσωμα αποτελείται από διακριτές μονάδες rRNA 5S και 23S και 33 πρωτεΐνες, που ονομάζονται r-πρωτεΐνες για το "ριβοσωματικό". Η μικρή υπομονάδα, ή SSU, περιλαμβάνει ένα τμήμα 16S rRNA και 21 r-πρωτεΐνες. Σε γενικές γραμμές, το SSU έχει περίπου τα δύο τρίτα του μεγέθους του LSU. Επιπλέον, το rRNA του LSU περιλαμβάνει επτά τομείς, ενώ το rRNA του SSU μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις τομείς.
Το rRNA των ευκαρυωτικών ριβοσωμάτων έχει περίπου 1.000 περισσότερα νουκλεοτίδια από ότι το rRNA των προκαρυωτικών ριβοσωμάτων - περίπου 5.500 έναντι 4,500. Ενώ ΜΙ. coli Τα ριβοσώματα διαθέτουν 54 r-πρωτεΐνες μεταξύ του LSU (33) και του SSU (21), τα ευκαρυωτικά ριβοσώματα έχουν 80 r-πρωτεΐνες. Το ευκαρυωτικό ριβόσωμα περιλαμβάνει επίσης τμήματα επέκτασης rRNA, τα οποία παίζουν ρόλο δομικής και πρωτεϊνοσύνθεσης.
Λειτουργία Ribosome: Μετάφραση
Η δουλειά του ριβοσώματος είναι να κάνει ολόκληρο το φάσμα των πρωτεϊνών που χρειάζεται ένας οργανισμός, από ένζυμα έως ορμόνες έως τμήματα κυττάρων και μυών. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μετάφραση και είναι το τρίτο μέρος του κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας: DNA σε mRNA (μεταγραφή) σε πρωτεΐνη (μετάφραση).
Ο λόγος που ονομάζεται μετάφραση είναι ότι τα ριβοσώματα, που αφήνονται στις δικές τους συσκευές, δεν έχουν ανεξάρτητο τρόπο «ξέρετε» ποιες πρωτεΐνες να φτιάξετε και πόσο, παρά το ότι έχετε όλες τις πρώτες ύλες, τον εξοπλισμό και το εργατικό δυναμικό απαιτείται. Επιστρέφοντας στην αναλογία «κέντρο εκπλήρωσης», φανταστείτε μερικές χιλιάδες εργάτες να γεμίζουν τα κλίτη και τους σταθμούς ενός από αυτά τα τεράστια μέρη, κοιτάζοντας παιχνίδια και βιβλία και αθλητικά είδη αλλά δεν παίρνετε κατεύθυνση από το Διαδίκτυο (ή από οπουδήποτε αλλού) για το τι να κάνω. Τίποτα δεν θα συμβεί ή τουλάχιστον τίποτα παραγωγικό για την επιχείρηση
Αυτό που μεταφράζεται, λοιπόν, είναι οι οδηγίες που κωδικοποιούνται στο mRNA, το οποίο με τη σειρά του παίρνει τον κώδικα από το DNA στον πυρήνα του κυττάρου (εάν ο οργανισμός είναι ευκαρυώτης. τα προκαρυωτικά στερούνται πυρήνων). Στη διαδικασία της μεταγραφής, το mRNA κατασκευάζεται από ένα πρότυπο DNA, με τα νουκλεοτίδια να προστίθενται στο αναπτυσσόμενη αλυσίδα mRNA που αντιστοιχεί στα νουκλεοτίδια του κλώνου DNA του προτύπου στο επίπεδο του ζεύξη βάσεων. Το A στο DNA παράγει U στο RNA, το C παράγει G, το G παράγει C και το Τ παράγει Α. Επειδή αυτά τα νουκλεοτίδια εμφανίζονται σε γραμμική αλληλουχία, μπορούν να ενσωματωθούν σε ομάδες των δύο, τριών, δέκα ή οποιουδήποτε αριθμού. Όπως συμβαίνει, μια ομάδα τριών νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο mRNA ονομάζεται κωδικόνιο ή «τριπλό κωδικόνιο» για σκοπούς εξειδίκευσης. Κάθε κωδικόνιο φέρει τις οδηγίες για ένα από τα 20 αμινοξέα, τα οποία θα θυμάστε είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών. Για παράδειγμα, τα AUG, CCG και CGA είναι όλα κωδικόνια και φέρουν τις οδηγίες για την παρασκευή ενός συγκεκριμένου αμινοξέος. Υπάρχουν 64 διαφορετικά κωδικόνια (4 βάσεις ανυψωμένες με ισχύ 3 ισούται με 64) αλλά μόνο 20 αμινοξέα. Ως αποτέλεσμα, τα περισσότερα αμινοξέα κωδικοποιούνται για περισσότερα από ένα τρίδυμα, και μερικά αμινοξέα καθορίζονται από έξι διαφορετικά κωδικόνια τριπλών.
Η σύνθεση πρωτεϊνών απαιτεί έναν ακόμη τύπο RNA, το tRNA. Αυτός ο τύπος RNA φέρνει φυσικά τα αμινοξέα στο ριβόσωμα. Ένα ριβόσωμα έχει τρεις παρακείμενες θέσεις δέσμευσης tRNA, όπως εξατομικευμένες θέσεις στάθμευσης. Το ένα είναι το αμινοακύλιο θέση σύνδεσης, η οποία είναι για το μόριο tRNA που συνδέεται με το επόμενο αμινοξύ στην πρωτεΐνη, δηλαδή το εισερχόμενο αμινοξύ. Το δεύτερο είναι το πεπτιδυλ θέση σύνδεσης, όπου συνδέεται το κεντρικό μόριο tRNA που περιέχει την αναπτυσσόμενη πεπτιδική αλυσίδα. Το τρίτο και τελευταίο είναι ένα έξοδος θέση δέσμευσης, όπου χρησιμοποιείται, τα τώρα κενά μόρια tRNA αποβάλλονται από το ριβόσωμα.
Μόλις πολυμεριστούν τα αμινοξέα και σχηματιστεί ένας σκελετός πρωτεΐνης, το ριβόσωμα απελευθερώνει την πρωτεΐνη, η οποία στη συνέχεια μεταφέρεται σε προκαρυώτες στο κυτταρόπλασμα και σε ευκαρυωτικά στα σώματα Golgi. Οι πρωτεΐνες στη συνέχεια υποβάλλονται σε πλήρη επεξεργασία και απελευθερώνονται, εντός ή εκτός του κυττάρου, καθώς όλα τα ριβοσώματα παράγουν πρωτεΐνες τόσο για τοπική όσο και για μακρινή χρήση. Τα ριβοσώματα είναι πολύ αποτελεσματικά. ένα μόνο σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο μπορεί να προσθέσει δύο αμινοξέα σε μια αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη αλυσίδα κάθε δευτερόλεπτο. Στα προκαρυωτικά, τα ριβοσώματα λειτουργούν με σχεδόν ξέφρενο ρυθμό, προσθέτοντας 20 αμινοξέα σε ένα πολυπεπτίδιο κάθε δευτερόλεπτο.
Υποσημείωση εξέλιξης: Στα ευκαρυωτικά, τα ριβοσώματα, εκτός από το ότι βρίσκονται στα προαναφερθέντα σημεία, μπορούν επίσης να βρεθούν στα μιτοχόνδρια σε ζώα και στους χλωροπλάστες των φυτών. Αυτά τα ριβοσώματα έχουν πολύ διαφορετικό μέγεθος και σύνθεση από άλλα ριβοσώματα που βρίσκονται σε αυτά τα κύτταρα, και ακούγονται στα προκαρυωτικά ριβοσώματα βακτηριακών και γαλαζοπράσινων φυκών. Αυτό θεωρείται αρκετά ισχυρή απόδειξη ότι τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες εξελίχθηκαν από προγονικούς προκαρυώτες.