Ribosomes: définition, fonction et structure (eucaryotes et procaryotes)

De nos jours, les grands détaillants ont des "centres de distribution" pour gérer le volume considérable de commandes en ligne qu'ils reçoivent du monde entier. Ici, dans ces structures semblables à des entrepôts, les produits individuels sont localisés, emballés et expédiés vers des millions de destinations aussi efficacement que possible. De minuscules structures appelées ribosomes sont en fait les centres d'accomplissement du monde cellulaire, recevant des commandes pour d'innombrables produits protéiques de acide ribonucléique messager (ARNm) et obtenir rapidement et efficacement ces produits assemblés et sur le chemin de l'endroit où ils sont nécessaires.

Les ribosomes sont généralement considérés comme des organites, bien que les puristes de la biologie moléculaire soulignent parfois qu'ils se trouvent dans les procaryotes (la plupart dont des bactéries) ainsi que des eucaryotes et n'ont pas de membrane les séparant de l'intérieur de la cellule, deux traits qui pourraient être disqualifiant. Dans tous les cas, tant les cellules procaryotes que les cellules eucaryotes possèdent des ribosomes dont la structure et la fonction font partie des leçons de biochimie plus fascinantes, en raison du nombre de concepts fondamentaux de la présence et du comportement des ribosomes souligner.

Les ribosomes se composent d'environ 60 pour cent de protéines et d'environ 40 pour cent ARN ribosomique (ARNr). Il s'agit d'une relation intéressante étant donné qu'un type d'ARN (ARN messager ou ARNm) est requis pour la synthèse ou la traduction des protéines. D'une certaine manière, les ribosomes sont comme un dessert composé à la fois de fèves de cacao non modifiées et de chocolat raffiné.

L'ARN est l'un des deux types d'acides nucléiques présents dans le monde des êtres vivants, l'autre étant l'acide désoxyribonucléique ou ADN. L'ADN est le plus notoire des deux, souvent mentionné non seulement dans les articles scientifiques traditionnels, mais aussi dans les histoires de crime. Mais l'ARN est en fait la molécule la plus polyvalente.

Les acides nucléiques sont constitués de monomères ou d'unités distinctes qui fonctionnent comme des molécules autonomes. Le glycogène est un polymère de monomères de glucose, les protéines sont des polymères de monomères d'acides aminés et les nucléotides sont les monomères à partir desquels l'ADN et l'ARN sont fabriqués. Les nucléotides se composent à leur tour d'une portion de sucre à cinq cycles, d'une portion de phosphate et d'une portion de base azotée. Dans l'ADN, le sucre est le désoxyribose, alors que dans l'ARN, c'est le ribose; ceux-ci ne diffèrent que par le fait que l'ARN a un groupe -OH (hydroxyle) là où l'ADN a un -H (un proton), mais les implications pour la gamme impressionnante de fonctionnalités de l'ARN sont considérables. De plus, alors que la base azotée dans un nucléotide d'ADN et un nucléotide d'ARN est l'un des quatre types possibles, ces les types dans l'ADN sont l'adénine, la cytosine, la guanine et la thymine (A, C, G, T) alors que dans l'ARN, l'uracile remplace la thymine (A, C, G, U). Enfin, l'ADN est presque toujours double brin, tandis que l'ARN est simple brin. C'est cette différence par rapport à l'ARN qui contribue peut-être le plus à la polyvalence de l'ARN.

Les trois principaux types d'ARN sont l'ARNm et l'ARNr susmentionnés ainsi que l'ARN de transfert (ARNt). Alors que près de la moitié de la masse des ribosomes est constituée d'ARNr, l'ARNm et l'ARNt entretiennent tous deux des relations intimes et indispensables avec les ribosomes et entre eux.

Chez les organismes eucaryotes, les ribosomes se trouvent principalement attachés au réticulum endoplasmique, un réseau de structures membraneuses qui ressemble le mieux à un système routier ou ferroviaire pour les cellules. Certains ribosomes eucaryotes et tous les ribosomes procaryotes se trouvent libres dans le cytoplasme de la cellule. Les cellules individuelles peuvent avoir des milliers à des millions de ribosomes; comme vous pouvez vous y attendre, les cellules qui produisent beaucoup de produits protéiques (par exemple, les cellules pancréatiques) ont une densité plus élevée de ribosomes.

Chez les procaryotes, les ribosomes comprennent trois molécules d'ARNr distinctes, tandis que chez les eucaryotes, les ribosomes comprennent quatre molécules d'ARNr distinctes. Les ribosomes se composent d'une grande sous-unité et d'une petite sous-unité. Au début du 21e siècle, la structure tridimensionnelle complète des sous-unités a été cartographiée. Sur la base de ces preuves, l'ARNr, et non les protéines, fournit au ribosome sa forme et sa fonction de base; les biologistes le soupçonnaient depuis longtemps. Les protéines des ribosomes aident principalement à combler les lacunes structurelles et à améliorer la fonction principale du ribosome – la synthèse des protéines. La synthèse des protéines peut se produire sans ces protéines, mais le fait à un rythme beaucoup plus lent.

Les unités de masse de facto des ribosomes sont leurs valeurs de Svedberg (S), qui sont basées sur la rapidité avec laquelle les sous-unités se déposent au fond des tubes à essai sous la force centripète d'une centrifugeuse. Les ribosomes des cellules eucaryotes ont généralement des valeurs de Svedberg de 80S et se composent de sous-unités 40s et 60s. (notez que les unités S ne sont clairement pas des masses réelles; sinon, les calculs ici n'auraient aucun sens.) En revanche, les cellules procaryotes contiennent des ribosomes atteignant 70S, divisés en sous-unités 30S et 50S.

Les protéines et les acides nucléiques, chacun étant constitué d'unités monomères similaires mais non identiques, ont une structure primaire, secondaire et tertiaire. La structure primaire de l'ARN est son ordonnancement des nucléotides individuels, qui à son tour dépend de leurs bases azotées. Par exemple, les lettres AUCGGCAUGC décrivent une chaîne de dix nucléotides d'acide nucléique (appelée « polynucléotide » lorsqu'elle est aussi courte) avec les bases adénine, uracile, cytosine et guanine. La structure secondaire de l'ARN décrit comment la chaîne prend des virages et des plis dans un seul plan grâce aux interactions électrochimiques entre les nucléotides. Si vous mettez un chapelet de perles sur une table et que la chaîne qui les relie n'est pas droite, vous regardez la structure secondaire des perles. Enfin, la sténose tertiaire fait référence à la façon dont la molécule entière s'organise dans un espace tridimensionnel. En continuant avec l'exemple des perles, vous pouvez la ramasser sur la table et la compresser en une forme de boule dans votre main, ou même la plier en forme de bateau.

Bien avant que les méthodes de laboratoire avancées d'aujourd'hui ne soient disponibles, les biochimistes étaient capables de faire des prédictions sur la structure secondaire de l'ARNr basée sur la séquence primaire connue et les propriétés électrochimiques de l'individu socles. Par exemple, A était-il enclin à s'apparier avec U si un coude avantageux se formait et les rapprochait de près? Au début des années 2000, l'analyse cristallographique a confirmé de nombreuses idées des premiers chercheurs sur la forme de l'ARNr, contribuant ainsi à mieux comprendre sa fonction. Par exemple, les études cristallographiques ont démontré que l'ARNr participe à la fois à la synthèse des protéines et offre un support structurel, tout comme le composant protéique des ribosomes. L'ARNr constitue la majeure partie de la plate-forme moléculaire sur laquelle la traduction se produit et a une activité catalytique, ce qui signifie que l'ARNr participe directement à la synthèse des protéines. Cela a conduit certains scientifiques à utiliser le terme « ribozyme » (c'est-à-dire « enzyme ribosome ») au lieu de « ribosome » pour décrire la structure.

E. coli les bactéries offrent un exemple de ce que les scientifiques ont pu apprendre sur la structure ribosomique des procaryotes. La grande sous-unité, ou LSU, de la E. coli Le ribosome se compose d'unités d'ARNr 5S et 23S distinctes et de 33 protéines, appelées protéines r pour « ribsomal ». La petite sous-unité, ou SSU, comprend une portion d'ARNr 16S et 21 protéines r. En gros, la SSU est donc environ les deux tiers de la taille de la LSU. De plus, l'ARNr de la LSU comprend sept domaines, tandis que l'ARNr de la SSU peut être divisé en quatre domaines.

L'ARNr des ribosomes eucaryotes contient environ 1 000 nucléotides de plus que l'ARNr des ribosomes procaryotes - environ 5 500 vs. 4,500. Tandis que E. coli les ribosomes contiennent 54 protéines r entre le LSU (33) et le SSU (21), les ribosomes eucaryotes ont 80 protéines r. Le ribosome eucaryote comprend également des segments d'expansion d'ARNr, qui jouent à la fois des rôles structurels et de synthèse protéique.

Le travail du ribosome est de fabriquer toute la gamme de protéines dont un organisme a besoin, des enzymes aux hormones en passant par des portions de cellules et de muscles. Ce processus s'appelle la traduction, et c'est la troisième partie du dogme central de la biologie moléculaire: de l'ADN en ARNm (transcription) en protéine (traduction).

La raison pour laquelle cela s'appelle la traduction est que les ribosomes, laissés à eux-mêmes, n'ont aucun moyen indépendant de « savoir » quelles protéines fabriquer et en quelle quantité, malgré toutes les matières premières, l'équipement et la main-d'œuvre obligatoire. Revenant à l'analogie du « centre de distribution », imaginez quelques milliers de travailleurs remplissant les allées et les gares de l'un de ces énormes endroits, regardant autour de jouets, de livres et d'articles de sport, mais n'obtenant aucune indication d'Internet (ou de n'importe où ailleurs) sur ce faire. Rien ne se passerait, ou du moins rien de productif pour l'entreprise.

Ce qui est traduit, alors, ce sont les instructions codées dans l'ARNm, qui à son tour obtient le code de l'ADN dans le noyau de la cellule (si l'organisme est un eucaryote; les procaryotes manquent de noyau). Dans le processus de transcription, l'ARNm est fabriqué à partir d'une matrice d'ADN, les nucléotides étant ajoutés au chaîne d'ARNm en croissance correspondant aux nucléotides du brin d'ADN matrice au niveau de appariement de bases. A dans l'ADN génère U dans l'ARN, C génère G, G génère C et T génère A. Parce que ces nucléotides apparaissent dans une séquence linéaire, ils peuvent être incorporés en groupes de deux, trois, dix ou n'importe quel nombre. En l'occurrence, un groupe de trois nucléotides sur une molécule d'ARNm est appelé codon, ou « codon triplet » à des fins de spécificité. Chaque codon porte les instructions pour l'un des 20 acides aminés, dont vous vous souviendrez qu'ils sont les éléments constitutifs des protéines. Par exemple, AUG, CCG et CGA sont tous des codons et portent les instructions pour fabriquer un acide aminé spécifique. Il existe 64 codons différents (4 bases élevées à la puissance 3 égale 64) mais seulement 20 acides aminés; en conséquence, la plupart des acides aminés sont codés par plus d'un triplet, et quelques acides aminés sont spécifiés par six codons triplet différents.

La synthèse des protéines nécessite encore un autre type d'ARN, l'ARNt. Ce type d'ARN apporte physiquement les acides aminés au ribosome. Un ribosome possède trois sites de liaison à l'ARNt adjacents, comme des places de stationnement personnalisées. L'un est le aminoacyle site de liaison, qui est pour la molécule d'ARNt attachée à l'acide aminé suivant dans la protéine, c'est-à-dire l'acide aminé entrant. La seconde est la peptidyle site de liaison, où se fixe la molécule d'ARNt centrale contenant la chaîne peptidique en croissance. Le troisième et dernier est un sortir site de liaison, lorsqu'elles sont utilisées, les molécules d'ARNt maintenant vides sont déchargées du ribosome.

Une fois que les acides aminés sont polymérisés et qu'un squelette protéique s'est formé, le ribosome libère la protéine, qui est ensuite transportée chez les procaryotes vers le cytoplasme et chez les eucaryotes vers les corps de Golgi. Les protéines sont ensuite complètement transformées et libérées, à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule, car tous les ribosomes produisent des protéines pour une utilisation locale et lointaine. Les ribosomes sont très efficaces; un seul dans une cellule eucaryote peut ajouter deux acides aminés à une chaîne protéique en croissance chaque seconde. Chez les procaryotes, les ribosomes fonctionnent à un rythme presque effréné, ajoutant 20 acides aminés à un polypeptide chaque seconde.

Une note d'évolution: Chez les eucaryotes, les ribosomes, en plus d'être localisés aux endroits susmentionnés, peuvent également être trouvés dans les mitochondries des animaux et les chloroplastes des plantes. Ces ribosomes sont très différents en taille et en composition des autres ribosomes trouvés dans ces cellules, et correspondent aux ribosomes procaryotes des cellules bactériennes et d'algues bleu-vert. Ceci est considéré comme une preuve raisonnablement forte que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de procaryotes ancestraux.