Los grandes minoristas en estos días tienen "centros de cumplimiento" para manejar el gran volumen de pedidos en línea que reciben de todo el mundo. Aquí, en estas estructuras similares a un almacén, los productos individuales se rastrean, empaquetan y envían a millones de destinos de la manera más eficiente posible. Pequeñas estructuras llamadas ribosomas son, en efecto, los centros de cumplimiento del mundo celular, que reciben pedidos de innumerables productos proteicos de ácido ribonucleico mensajero (ARNm) y hacer que esos productos se ensamblen de manera rápida y eficiente y los lleven a donde se necesitan.
Los ribosomas generalmente se consideran orgánulos, aunque los puristas de la biología molecular a veces señalan que se encuentran en procariotas (la mayoría de los cuales son bacterias), así como eucariotas y carecen de una membrana que los separe del interior de la célula, dos rasgos que podrían ser descalificante. En cualquier caso, tanto las células procariotas como las eucariotas poseen ribosomas, cuya estructura y función se encuentran entre las lecciones más fascinantes de bioquímica, debido a la cantidad de conceptos fundamentales de la presencia y el comportamiento de los ribosomas guion bajo.
¿De qué están hechos los ribosomas?
Los ribosomas consisten en aproximadamente un 60 por ciento de proteína y aproximadamente un 40 por ciento ARN ribosómico (ARNr). Esta es una relación interesante dado que se requiere un tipo de ARN (ARN mensajero o ARNm) para la síntesis o traducción de proteínas. Entonces, en cierto modo, los ribosomas son como un postre que consiste en granos de cacao sin modificar y chocolate refinado.
El ARN es uno de los dos tipos de ácidos nucleicos que se encuentran en el mundo de los seres vivos, el otro es el ácido desoxirribonucleico o ADN. El ADN es el más notorio de los dos, y a menudo se menciona no solo en los artículos científicos convencionales, sino también en las historias de crímenes. Pero el ARN es en realidad la molécula más versátil.
Los ácidos nucleicos están formados por monómeros o unidades distintas que funcionan como moléculas independientes. El glucógeno es un polímero de monómeros de glucosa, las proteínas son polímeros de monómeros de aminoácidos y los nucleótidos son los monómeros a partir de los cuales se fabrican el ADN y el ARN. Los nucleótidos, a su vez, consisten en una porción de azúcar de cinco anillos, una porción de fosfato y una porción de base nitrogenada. En el ADN, el azúcar es desoxirribosa, mientras que en el ARN es ribosa; estos difieren solo en que el ARN tiene un grupo -OH (hidroxilo) donde el ADN tiene un -H (un protón), pero las implicaciones para la impresionante variedad de funcionalidades del ARN son considerables. Además, mientras que la base nitrogenada tanto en un nucleótido de ADN como en un nucleótido de ARN es uno de los cuatro tipos posibles, estos Los tipos en el ADN son adenina, citosina, guanina y timina (A, C, G, T) mientras que en el ARN, el uracilo se sustituye por timina (A, C, G, U). Por último, el ADN es casi siempre de doble hebra, mientras que el ARN es de hebra sencilla. Es esta diferencia con el ARN lo que quizás contribuya más a la versatilidad del ARN.
Los tres tipos principales de ARN son el ARNm y el ARNr antes mencionados junto con el ARN de transferencia (ARNt). Si bien cerca de la mitad de la masa de ribosomas es ARNr, el ARNm y el ARNt disfrutan de relaciones íntimas e indispensables con ambos ribosomas y entre sí.
En los organismos eucariotas, los ribosomas se encuentran principalmente unidos al retículo endoplásmico, una red de estructuras membranosas que se asemejan mejor a un sistema de carreteras o ferrocarriles para las células. Algunos ribosomas eucariotas y todos los ribosomas procariotas se encuentran libres en el citoplasma de la célula. Las células individuales pueden tener de miles a millones de ribosomas; Como es de esperar, las células que producen muchos productos proteicos (p. ej., células pancreáticas) tienen una mayor densidad de ribosomas.
La estructura de los ribosomas
En los procariotas, los ribosomas incluyen tres moléculas de ARNr separadas, mientras que en los eucariotas los ribosomas incluyen cuatro moléculas de ARNr separadas. Los ribosomas constan de una subunidad grande y una subunidad pequeña. A principios del siglo XXI, se cartografió la estructura tridimensional completa de las subunidades. Con base en esta evidencia, el ARNr, no las proteínas, proporciona al ribosoma su forma y función básicas; los biólogos lo habían sospechado durante mucho tiempo. Las proteínas en los ribosomas ayudan principalmente a llenar los vacíos estructurales y mejoran el trabajo principal del ribosoma: la síntesis de proteínas. La síntesis de proteínas puede ocurrir sin estas proteínas, pero lo hace a un ritmo mucho más lento.
Las unidades de masa de facto de los ribosomas son sus valores de Svedberg (S), que se basan en la rapidez con que las subunidades se depositan en el fondo de los tubos de ensayo bajo la fuerza centrípeta de una centrífuga. Los ribosomas de las células eucariotas suelen tener valores de Svedberg de 80S y constan de subunidades de 40 y 60. (tenga en cuenta que las unidades S claramente no son masas reales; de lo contrario, las matemáticas aquí no tendrían sentido.) En contraste, las células procariotas contienen ribosomas que alcanzan 70S, divididos en subunidades 30S y 50S.
Tanto las proteínas como los ácidos nucleicos, cada uno formado por unidades monoméricas similares pero no idénticas, tienen una estructura primaria, secundaria y terciaria. La estructura principal del ARN es su ordenamiento de nucleótidos individuales, que a su vez depende de sus bases nitrogenadas. Por ejemplo, las letras AUCGGCAUGC describen una cadena de diez nucleótidos de ácido nucleico (llamado "polinucleótido" cuando es tan corto) con las bases adenina, uracilo, citosina y guanina. La estructura secundaria del ARN describe cómo la cuerda se dobla y se retuerce en un solo plano gracias a las interacciones electroquímicas entre los nucleótidos. Si coloca una cadena de cuentas en una mesa y la cadena que las une no es recta, estaría mirando la estructura secundaria de las cuentas. Finalmente, la estenosis terciaria se refiere a cómo toda la molécula se organiza en un espacio tridimensional. Continuando con el ejemplo de las cuentas, puede levantarlo de la mesa y comprimirlo en forma de bola en su mano, o incluso doblarlo en forma de bote.
Profundizando en la composición ribosomal
Mucho antes de que los métodos de laboratorio avanzados de hoy estuvieran disponibles, los bioquímicos pudieron hacer predicciones sobre la estructura secundaria del ARNr basada en la secuencia primaria conocida y las propiedades electroquímicas del individuo bases. Por ejemplo, ¿estaba A inclinado a emparejarse con U si se formaba una torsión ventajosa y los acercaba mucho? A principios de la década de 2000, el análisis cristalográfico confirmó muchas de las ideas de los primeros investigadores sobre la forma del ARNr, lo que ayudó a arrojar más luz sobre su función. Por ejemplo, los estudios cristalográficos demostraron que el ARNr participa en la síntesis de proteínas y ofrece soporte estructural, al igual que el componente proteico de los ribosomas. El ARNr constituye la mayor parte de la plataforma molecular en la que se produce la traducción y tiene actividad catalítica, lo que significa que el ARNr participa directamente en la síntesis de proteínas. Esto ha llevado a algunos científicos a utilizar el término "ribozima" (es decir, "enzima ribosoma") en lugar de "ribosoma" para describir la estructura.
MI. coli Las bacterias ofrecen un ejemplo de cuánto han podido aprender los científicos sobre la estructura ribosómica de los procariotas. La subunidad grande, o LSU, de la MI. coli El ribosoma consta de distintas unidades de ARNr 5S y 23S y 33 proteínas, llamadas proteínas r para "ribsomal". La subunidad pequeña, o SSU, incluye una porción de ARNr 16S y 21 proteínas r. En términos generales, entonces, la SSU tiene aproximadamente dos tercios del tamaño de la LSU. Además, el rRNA de LSU incluye siete dominios, mientras que el rRNA de SSU se puede dividir en cuatro dominios.
El ARNr de los ribosomas eucariotas tiene aproximadamente 1000 nucleótidos más que el ARNr de los ribosomas procarióticos, aproximadamente 5500 vs. 4,500. Mientras que MI. coli Los ribosomas presentan 54 proteínas r entre LSU (33) y SSU (21), los ribosomas eucariotas tienen 80 proteínas r. El ribosoma eucariota también incluye segmentos de expansión de ARNr, que desempeñan funciones tanto estructurales como de síntesis de proteínas.
Función del ribosoma: traducción
La función del ribosoma es producir toda la gama de proteínas que necesita un organismo, desde enzimas hasta hormonas y porciones de células y músculos. Este proceso se llama traducción y es la tercera parte del dogma central de la biología molecular: ADN a ARNm (transcripción) a proteína (traducción).
La razón por la que esto se llama traducción es que los ribosomas, dejados a su suerte, no tienen una forma independiente de "saber" qué proteínas fabricar y cuántas, a pesar de tener todas las materias primas, el equipo y la mano de obra requerido. Volviendo a la analogía del "centro de cumplimiento", imagine unos miles de trabajadores llenando los pasillos y estaciones de una de estas enormes lugares, mirar juguetes, libros y artículos deportivos, pero no obtener instrucciones de Internet (ni de ningún otro lugar) sobre lo que que hacer. No pasaría nada, o al menos nada productivo para el negocio.
Lo que se traduce, entonces, son las instrucciones codificadas en el ARNm, que a su vez obtiene el código del ADN en el núcleo de la célula (si el organismo es un eucariota; procariotas carecen de núcleos). En el proceso de transcripción, el ARNm se hace a partir de una plantilla de ADN, con los nucleótidos agregados al cadena de ARNm en crecimiento correspondiente a los nucleótidos de la cadena de ADN molde al nivel de emparejamiento de bases. A en el ADN genera U en ARN, C genera G, G genera C y T genera A. Debido a que estos nucleótidos aparecen en una secuencia lineal, se pueden incorporar en grupos de dos, tres, diez o cualquier número. Da la casualidad de que un grupo de tres nucleótidos en una molécula de ARNm se denomina codón o "codón triplete" para fines de especificidad. Cada codón lleva las instrucciones para uno de los 20 aminoácidos, que recordará son los componentes básicos de las proteínas. Por ejemplo, AUG, CCG y CGA son todos codones y llevan las instrucciones para producir un aminoácido específico. Hay 64 codones diferentes (4 bases elevadas a la potencia de 3 es igual a 64) pero solo 20 aminoácidos; como resultado, la mayoría de los aminoácidos se codifican mediante más de un triplete, y un par de aminoácidos se especifican mediante seis codones tripletes diferentes.
La síntesis de proteínas requiere otro tipo de ARN, el ARNt. Este tipo de ARN lleva físicamente los aminoácidos al ribosoma. Un ribosoma tiene tres sitios de unión de ARNt adyacentes, como espacios de estacionamiento personalizados. Uno es el aminoacilo sitio de unión, que es para la molécula de ARNt unida al siguiente aminoácido de la proteína, es decir, el aminoácido entrante. El segundo es el peptidilo sitio de unión, donde se une la molécula de ARNt central que contiene la cadena de péptidos en crecimiento. El tercero y último es un Salida sitio de unión, donde se utilizan, las moléculas de ARNt ahora vacías se descargan del ribosoma.
Una vez que los aminoácidos se polimerizan y se ha formado una estructura proteica, el ribosoma libera la proteína, que luego se transporta en procariotas al citoplasma y en eucariotas a los cuerpos de Golgi. Luego, las proteínas se procesan y liberan por completo, ya sea dentro o fuera de la célula, ya que todos los ribosomas producen proteínas para uso local y lejano. Los ribosomas son muy eficientes; uno solo en una célula eucariota puede agregar dos aminoácidos a una cadena de proteínas en crecimiento cada segundo. En los procariotas, los ribosomas funcionan a un ritmo casi frenético, agregando 20 aminoácidos a un polipéptido cada segundo.
Una nota al pie de la evolución: En eucariotas, los ribosomas, además de estar ubicados en los puntos antes mencionados, también se pueden encontrar en las mitocondrias de los animales y los cloroplastos de las plantas. Estos ribosomas son muy diferentes en tamaño y composición de otros ribosomas que se encuentran en estas células, y escuchan a los ribosomas procarióticos de las células de las algas bacterianas y de color verde azulado. Esto se considera una evidencia razonablemente sólida de que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron a partir de procariotas ancestrales.