I grandi rivenditori in questi giorni hanno "centri di evasione ordini" per gestire l'enorme volume di ordini online che ricevono da tutto il mondo. Qui, in queste strutture simili a magazzini, i singoli prodotti vengono rintracciati, imballati e spediti a milioni di destinazioni nel modo più efficiente possibile. Piccole strutture chiamate ribosomi sono in effetti i centri di realizzazione del mondo cellulare, ricevendo ordini per innumerevoli prodotti proteici da acido ribonucleico messaggero (mRNA) e ottenere in modo rapido ed efficiente quei prodotti assemblati e sulla strada per dove sono necessari.
I ribosomi sono generalmente considerati organelli, sebbene i puristi della biologia molecolare a volte sottolineino che si trovano nei procarioti (la maggior parte di cui sono batteri) così come gli eucarioti e mancano di una membrana che li separa dall'interno della cellula, due tratti che potrebbero essere squalificante. In ogni caso, sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche possiedono ribosomi, la cui struttura e funzione sono tra le lezioni più affascinanti di biochimica, per quanti concetti fondamentali la presenza e il comportamento dei ribosomi sottolineare.
Di cosa sono fatti i ribosomi?
I ribosomi sono costituiti da circa il 60% di proteine e circa il 40% RNA ribosomiale (rRNA). Questa è una relazione interessante dato che è necessario un tipo di RNA (RNA messaggero o mRNA) per la sintesi proteica o la traduzione. Quindi, in un certo senso, i ribosomi sono come un dessert composto sia da fave di cacao non modificate che da cioccolato raffinato.
L'RNA è uno dei due tipi di acidi nucleici presenti nel mondo degli esseri viventi, l'altro è l'acido desossiribonucleico o DNA. Il DNA è il più noto dei due, spesso menzionato non solo negli articoli scientifici tradizionali ma anche nelle storie di criminalità. Ma l'RNA è in realtà la molecola più versatile.
Gli acidi nucleici sono costituiti da monomeri o unità distinte che funzionano come molecole autonome. Il glicogeno è un polimero di monomeri di glucosio, le proteine sono polimeri di monomeri di amminoacidi e i nucleotidi sono i monomeri da cui sono fatti DNA e RNA. I nucleotidi a loro volta sono costituiti da una porzione di zucchero a cinque anelli, una porzione di fosfato e una porzione di base azotata. Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio, mentre nell'RNA è il ribosio; questi differiscono solo per il fatto che l'RNA ha un gruppo -OH (idrossile) dove il DNA ha un -H (un protone), ma le implicazioni per l'impressionante gamma di funzionalità dell'RNA sono considerevoli. Inoltre, mentre la base azotata sia in un nucleotide di DNA che in un nucleotide di RNA è uno dei quattro possibili tipi, questi tipi nel DNA sono adenina, citosina, guanina e timina (A, C, G, T) mentre nell'RNA, l'uracile è sostituito dalla timina (A, C, G, U). Infine, il DNA è quasi sempre a doppio filamento, mentre l'RNA è a filamento singolo. È questa differenza dall'RNA che forse contribuisce maggiormente alla versatilità dell'RNA.
I tre principali tipi di RNA sono il suddetto mRNA e rRNA insieme all'RNA di trasferimento (tRNA). Mentre quasi la metà della massa dei ribosomi è costituita da rRNA, mRNA e tRNA godono entrambi di relazioni intime e indispensabili con entrambi i ribosomi e tra loro.
Negli organismi eucarioti, i ribosomi si trovano per lo più attaccati al reticolo endoplasmatico, una rete di strutture membranose meglio paragonate a un sistema autostradale o ferroviario per le cellule. Alcuni ribosomi eucariotici e tutti i ribosomi procarioti si trovano liberi nel citoplasma della cellula. Le singole cellule possono avere da migliaia a milioni di ribosomi; come ci si potrebbe aspettare, le cellule che producono molti prodotti proteici (ad esempio le cellule pancreatiche) hanno una maggiore densità di ribosomi.
La struttura dei ribosomi
Nei procarioti, i ribosomi includono tre molecole di rRNA separate, mentre negli eucarioti i ribosomi includono quattro molecole di rRNA separate. I ribosomi sono costituiti da una subunità grande e da una subunità piccola. All'inizio del 21° secolo è stata mappata la struttura tridimensionale completa delle subunità. Sulla base di questa evidenza, l'rRNA, non le proteine, fornisce al ribosoma la sua forma e funzione di base; i biologi lo sospettavano da tempo. Le proteine nei ribosomi aiutano principalmente a colmare le lacune strutturali e migliorano il lavoro principale del ribosoma: la sintesi delle proteine. La sintesi proteica può avvenire senza queste proteine, ma lo fa a un ritmo molto più lento.
Le unità di massa de facto dei ribosomi sono i loro valori di Svedberg (S), che si basano sulla rapidità con cui le subunità si depositano sul fondo delle provette sotto la forza centripeta di una centrifuga. I ribosomi delle cellule eucariotiche di solito hanno valori di Svedberg di 80S e sono costituiti da subunità 40s e 60s. (nota che le unità S non sono chiaramente masse reali; altrimenti, la matematica qui non avrebbe senso.) Al contrario, le cellule procariotiche contengono ribosomi che raggiungono i 70S, suddivisi in subunità 30S e 50S.
Sia le proteine che gli acidi nucleici, essendo ciascuno costituito da unità monomeriche simili ma non identiche, hanno una struttura primaria, secondaria e terziaria. La struttura primaria dell'RNA è il suo ordinamento dei singoli nucleotidi, che a sua volta dipende dalle loro basi azotate. Ad esempio, le lettere AUCGGCAUGC descrivono una stringa di dieci nucleotidi di acido nucleico (chiamata "polinucleotide" quando è così breve) con le basi adenina, uracile, citosina e guanina. La struttura secondaria dell'RNA descrive come la corda assuma pieghe e attorcigliamenti su un unico piano grazie alle interazioni elettrochimiche tra i nucleotidi. Se metti una serie di perline su un tavolo e la catena che le unisce non era diritta, guarderesti la struttura secondaria delle perline. Infine, la stenosi terziaria si riferisce a come l'intera molecola si organizza nello spazio tridimensionale. Continuando con l'esempio delle perline, puoi prenderlo dal tavolo e comprimerlo in una forma a palla nella tua mano, o persino piegarlo a forma di barca.
Scavando più a fondo nella composizione ribosomiale
Ben prima che i metodi avanzati di laboratorio di oggi diventassero disponibili, i biochimici erano in grado di fare previsioni su la struttura secondaria dell'rRNA basata sulla sequenza primaria nota e le proprietà elettrochimiche dell'individuo basi. Ad esempio, A era incline ad accoppiarsi con U se si formava un nodo vantaggioso e li avvicinava? All'inizio degli anni 2000, l'analisi cristallografica ha confermato molte delle idee dei primi ricercatori sulla forma dell'rRNA, aiutando a far luce sulla sua funzione. Ad esempio, gli studi cristallografici hanno dimostrato che l'rRNA partecipa alla sintesi proteica e offre supporto strutturale, proprio come il componente proteico dei ribosomi. L'rRNA costituisce la maggior parte della piattaforma molecolare su cui avviene la traduzione e ha attività catalitica, il che significa che l'rRNA partecipa direttamente alla sintesi proteica. Ciò ha portato alcuni scienziati a usare il termine "ribozima" (cioè "enzima ribosoma") invece di "ribosoma" per descrivere la struttura.
e. coli i batteri offrono un esempio di quanto gli scienziati siano stati in grado di apprendere sulla struttura ribosomiale dei procarioti. La grande subunità, o LSU, del e. coli ribosoma è costituito da distinte unità di rRNA 5S e 23S e 33 proteine, chiamate proteine r per "ribsomale". La piccola subunità, o SSU, include una porzione di rRNA 16S e 21 proteine r. In parole povere, quindi, la SSU è circa due terzi delle dimensioni della LSU. Inoltre, l'rRNA della LSU comprende sette domini, mentre l'rRNA della SSU può essere suddiviso in quattro domini.
L'rRNA dei ribosomi eucariotici ha circa 1.000 nucleotidi in più rispetto all'rRNA dei ribosomi procarioti - circa 5.500 contro 4,500. Mentre e. coli i ribosomi presentano 54 proteine r tra LSU (33) e SSU (21), i ribosomi eucariotici hanno 80 proteine r. Il ribosoma eucariotico include anche segmenti di espansione dell'rRNA, che svolgono ruoli sia strutturali che di sintesi proteica.
Funzione ribosoma: traduzione
Il compito del ribosoma è produrre l'intera gamma di proteine di cui un organismo ha bisogno, dagli enzimi agli ormoni, alle porzioni di cellule e muscoli. Questo processo è chiamato traduzione, ed è la terza parte del dogma centrale della biologia molecolare: dal DNA all'mRNA (trascrizione) alla proteina (traduzione).
Il motivo per cui si chiama traduzione è che i ribosomi, lasciati a se stessi, non hanno un modo indipendente per "sapere" quali proteine produrre e quanto, pur avendo tutte le materie prime, le attrezzature e la forza lavoro necessario. Tornando all'analogia del "centro di smistamento", immaginate qualche migliaio di lavoratori che riempiono le corsie e le stazioni di uno di questi enormi luoghi, guardando giocattoli, libri e articoli sportivi ma non ottenendo indicazioni da Internet (o da qualsiasi altra parte) su cosa fare. Non sarebbe successo niente, o almeno niente di produttivo per l'azienda.
Ciò che viene tradotto, quindi, sono le istruzioni codificate nell'mRNA, che a sua volta ottiene il codice dal DNA nel nucleo della cellula (se l'organismo è un eucariota; i procarioti mancano di nuclei). Nel processo di trascrizione, l'mRNA è costituito da uno stampo di DNA, con i nucleotidi aggiunti al to catena di mRNA in crescita corrispondente ai nucleotidi del filamento di DNA stampo a livello di accoppiamento di basi. A nel DNA genera U nell'RNA, C genera G, G genera C e T genera A. Poiché questi nucleotidi appaiono in una sequenza lineare, possono essere incorporati in gruppi di due, tre, dieci o qualsiasi numero. Si dà il caso che un gruppo di tre nucleotidi su una molecola di mRNA sia chiamato codone, o "codone tripletta" per scopi di specificità. Ogni codone porta le istruzioni per uno dei 20 amminoacidi, che ricorderai sono i mattoni delle proteine. Ad esempio, AUG, CCG e CGA sono tutti codoni e portano le istruzioni per produrre un amminoacido specifico. Esistono 64 codoni diversi (4 basi elevate alla potenza di 3 uguale a 64) ma solo 20 amminoacidi; di conseguenza, la maggior parte degli amminoacidi è codificata da più di una tripletta e un paio di amminoacidi sono specificati da sei diversi codoni di tripletta.
La sintesi proteica richiede un altro tipo di RNA, il tRNA. Questo tipo di RNA porta fisicamente gli amminoacidi al ribosoma. Un ribosoma ha tre siti di legame del tRNA adiacenti, come spazi di parcheggio personalizzati. Uno è il aminoacil sito di legame, che è per la molecola di tRNA attaccata all'amminoacido successivo nella proteina, cioè l'aminoacido in entrata. Il secondo è il peptidile sito di legame, dove si attacca la molecola centrale di tRNA contenente la catena peptidica in crescita. Il terzo e ultimo è an Uscita sito di legame, dove utilizzato, molecole di tRNA ormai vuote vengono scaricate dal ribosoma.
Una volta che gli amminoacidi sono polimerizzati e si è formato uno scheletro proteico, il ribosoma rilascia la proteina, che viene poi trasportata nei procarioti al citoplasma e negli eucarioti ai corpi del Golgi. Le proteine vengono quindi completamente processate e rilasciate, sia all'interno che all'esterno della cellula, poiché tutti i ribosomi producono proteine per uso sia locale che remoto. I ribosomi sono molto efficienti; uno solo in una cellula eucariotica può aggiungere due amminoacidi a una catena proteica in crescita ogni secondo. Nei procarioti, i ribosomi lavorano a un ritmo quasi frenetico, aggiungendo 20 amminoacidi a un polipeptide ogni secondo.
Una nota evolutiva: negli eucarioti, i ribosomi, oltre ad essere localizzati nei suddetti punti, si possono trovare anche nei mitocondri degli animali e nei cloroplasti delle piante. Questi ribosomi sono molto diversi per dimensioni e composizione dagli altri ribosomi presenti in queste cellule e ascoltano i ribosomi procariotici delle cellule batteriche e delle alghe blu-verdi. Questa è considerata una prova ragionevolmente forte che i mitocondri e i cloroplasti si siano evoluti da procarioti ancestrali.