ריבוזומים: הגדרה, פונקציה ומבנה (אוקריוטים ופרוקריוטים)

לקמעונאים הגדולים בימינו יש "מרכזי הגשמה" לטיפול בכמות ההזמנות המקוונת שהם מקבלים מכל העולם. כאן, במבנים דמויי מחסן אלה, מעקב אחר מוצרים בודדים נשלח ונשלח למיליוני יעדים בצורה היעילה ביותר האפשרית. מבנים זעירים הנקראים ריבוזומים הם למעשה מרכזי ההגשמה של העולם הסלולרי, ומקבלים הזמנות לאינספור מוצרי חלבון שליח חומצה ריבונוקלאית (mRNA) ובמהירות וביעילות להכין את המוצרים הללו בדרך למקום בו הם נדרשים.

ריבוזומים נחשבים בדרך כלל לאברונים, אם כי מטהרי ביולוגיה מולקולרית מציינים לפעמים שהם נמצאים בפרוקריוטים ( מהם חיידקים) וכן אוקריוטים וחסר קרום המפריד ביניהם לבין פנים התא, שתי תכונות שיכולות להיות פסילה. בכל מקרה, גם לתאים הפרוקריוטים וגם לתאים האיקריוטים יש ריבוזומים, שמבנהם ותפקודם הם בין שיעורים מרתקים יותר בביוכימיה, בגלל כמה מושגים בסיסיים הנוכחות וההתנהגות של הריבוזומים מדגיש.

הריבוזומים מורכבים מכ- 60 אחוז חלבון וכ- 40 אחוז RNA ריבוזומלי (rRNA). זהו קשר מעניין בהתחשב בכך שנדרש סוג של רנ"א (שליח רנ"א או mRNA) לסינתזת חלבון, או לתרגום. אז במובן מסוים, הריבוזומים הם כמו קינוח המורכב גם מפולי קקאו ללא שינוי וגם משוקולד מזוקק.

RNA הוא אחד משני סוגים של חומצות גרעין המצויות בעולם היצורים החיים, והשני הוא חומצה דאוקסיריבונוקלאית או DNA. דנ"א הוא הידוע לשמצה יותר מבין השניים, ולעתים קרובות זוכה לא רק במאמרי מדע רגילים אלא גם בסיפורי פשע. אך RNA הוא למעשה המולקולה המגוונת יותר.

חומצות גרעין מורכבות ממונומרים, או יחידות נפרדות המתפקדות כמולקולות עצמאיות. גליקוגן הוא פולימר של מונומרים של גלוקוז, חלבונים הם פולימרים של מונומרים של חומצות אמיניות ונוקלאוטידים הם המונומרים מהם עשויים DNA ו- RNA. נוקליאוטידים בתורם מורכבים ממנת סוכר בעלת חמש טבעות, מנת פוספט ומנת בסיס חנקנית. ב- DNA הסוכר הוא דאוקסיריבוז ואילו ב- RNA הוא ריבוז; אלה נבדלים רק בכך של- RNA יש קבוצת -OH (הידרוקסיל) שבה ל- DNA יש -H (פרוטון), אך ההשלכות על מערך הפונקציונליות המרשים של RNA הן ניכרות. בנוסף, בעוד שהבסיס החנקני הן בנוקלאוטיד DNA והן בנוקלאוטיד RNA הוא אחד מארבעה סוגים אפשריים, אלה סוגי ה- DNA הם אדנין, ציטוזין, גואנין ותימין (A, C, G, T) ואילו ב- RNA, uracil מוחלף לתימין (A, C, G, U). לבסוף, ה- DNA כמעט תמיד גדיל כפול, ואילו ה- RNA הוא חד-גדילי. ההבדל הזה מ- RNA הוא שאולי תורם הכי הרבה לרבגוניות של RNA.

שלושת הסוגים העיקריים של ה- RNA הם ה- mRNA וה- rRNA הנ"ל יחד עם ה- RNA ההעברה (tRNA). בעוד שקרוב למחצית ממסת הריבוזומים היא rRNA, mRNA ו- tRNA שניהם נהנים מיחסים אינטימיים וחיוניים עם שני הריבוזומים זה עם זה.

באורגניזמים איקריוטיים, ריבוזומים נמצאים לרוב מחוברים לרטיקולום האנדופלזמי, רשת של מבנים ממברניים המושווים בצורה הטובה ביותר למערכת כביש או רכבת לתאים. כמה ריבוזומים אוקריוטיים וכל הריבוזומים הפרוקריוטים נמצאים חופשיים בציטופלזמה של התא. תאים בודדים עשויים להכיל אלפי עד מיליוני ריבוזומים; כפי שניתן לצפות, לתאים המייצרים הרבה מוצרי חלבון (למשל, תאי לבלב) יש צפיפות גבוהה יותר של ריבוזומים.

בפרוקריוטים, הריבוזומים כוללים שלוש מולקולות rRNA נפרדות, ואילו באיקריוטים הריבוזומים כוללים ארבע מולקולות rRNA נפרדות. הריבוזומים מורכבים מתת-יחידה גדולה ומתת-יחידה קטנה. בתחילת המאה ה -21 ממופה המבנה התלת מימדי השלם של יחידות המשנה. בהתבסס על ראיות אלה, rRNA, לא חלבונים, מספק לריבוזום את צורתו ותפקודו הבסיסיים; ביולוגים חשדו זמן רב כל כך הרבה. החלבונים בריבוזומים מסייעים בעיקר במילוי פערים מבניים ומשפרים את תפקידו העיקרי של הריבוזום - סינתזת חלבונים. סינתזת חלבונים יכולה להתרחש ללא חלבונים אלה, אך עושה זאת בקצב איטי בהרבה.

יחידות המסה בפועל של הריבוזומים הם ערכי Svedberg (S) שלהם, המבוססים על המהירות שבה יחידות היחידות מתיישבות בתחתית המבחנות תחת כוח צנטריפוגה. לריבוזומים של תאים איקריוטים בדרך כלל יש ערכי סוודברג של 80S והם מורכבים מיחידות משנה של שנות ה -40 וה -60. (שימו לב שיחידות S אינן בבירור מסות בפועל; אחרת, למתמטיקה כאן אין שום היגיון.) לעומת זאת, תאים פרוקריוטים מכילים ריבוזומים המגיעים ל- 70S, מפוצלים ליחידות משנה 30S ו- 50S.

גם לחלבונים וגם לחומצות גרעין, שכל אחד מהם מורכב מיחידות מונומריות דומות אך לא זהות, יש מבנה ראשוני, משני ושלישוני. המבנה העיקרי של ה- RNA הוא סדרו של נוקליאוטידים בודדים, אשר בתורם תלויים בבסיסים החנקניים שלהם. לדוגמא, האותיות AUCGGCAUGC מתארות מחרוזת עשרה גרעינים של חומצת גרעין (המכונה "פולינוקליאוטיד" כאשר היא קצרה כל כך) עם הבסיסים אדנין, אורציל, ציטוזין וגואנין. המבנה המשני של ה- RNA מתאר כיצד המחרוזת מניחה כיפופים וקורצים במישור יחיד הודות לאינטראקציות אלקטרוכימיות בין הנוקלאוטידים. אם תניח מחרוזת חרוזים על שולחן והשרשרת המצטרפת אליהם לא הייתה ישרה, היית מסתכל על המבנה המשני של החרוזים. לבסוף, הקפדה שלישונית מתייחסת לאופן שבו כל המולקולה מסדרת את עצמה במרחב תלת מימדי. בהמשך לדוגמת החרוזים, אתה יכול להרים אותו מהשולחן ולדחוס אותו לצורה דמוית כדור בידך, או אפילו לקפל אותו לצורת סירה.

הרבה לפני שהשיטות המעבדות המתקדמות של ימינו זמינות, ביוכימאים הצליחו לחזות המבנה המשני של rRNA המבוסס על הרצף הראשוני הידוע והתכונות האלקטרוכימיות של האדם בסיסים. לדוגמא, האם נוטה לזווג את U אם נוצר כיור יתרון והביא אותם לקרבה? בתחילת שנות האלפיים, ניתוח קריסטלוגרפי אישר רבים מרעיונות החוקרים המוקדמים לגבי צורת ה- rRNA, ועזרו לשפוך אור נוסף על תפקידה. לדוגמא, המחקרים הקריסטלוגרפיים הראו כי rRNA משתתפים בסינתזת חלבונים ומציעים תמיכה מבנית, בדומה למרכיב החלבון של הריבוזומים. rRNA מהווה את רוב הפלטפורמה המולקולרית שעליה מתרחש תרגום ויש לו פעילות קטליטית, כלומר rRNA משתתף ישירות בסינתזת החלבון. זה הוביל לכך שמדענים מסוימים השתמשו במונח "ריבוזים" (כלומר, "אנזים ריבוזום") במקום "ריבוזום" לתיאור המבנה.

ה קולי חיידקים מציעים דוגמה לכמה מדענים הצליחו ללמוד על מבנה ריבוזומלי פרוקריוט. יחידת המשנה הגדולה, או LSU, של ה קולי הריבוזום מורכב מיחידות 5S ו- 23S rRNA מובחנות ו- 33 חלבונים, הנקראים חלבונים r עבור "ribsomal". יחידת המשנה הקטנה, או SSU, כוללת חלק אחד של 16S rRNA ו- 21 חלבונים. באופן גס, אם כן, ה- SSU הוא כשני שליש מגודל ה- LSU. בנוסף, ה- rRNA של ה- LSU כולל שבעה תחומים, ואילו את ה- RNA של ה- SSU ניתן לחלק לארבעה תחומים.

ל- rRNA של הריבוזומים האיקריוטים יש כ -1,000 נוקלאוטידים יותר מאשר ל- rRNA של הריבוזומים הפרוקריוטים - כ -5,500 לעומת 4,500. ואילו ה קולי הריבוזומים כוללים 54 חלבוני r בין ה- LSU (33) לבין ה- SSU (21), הריבוזומים האיקריוטים מכילים 80 חלבוני r. הריבוזום האיקריוטי כולל גם קטעי הרחבת rRNA, הממלאים תפקידים מבניים וסינתזת חלבון.

תפקידו של הריבוזום הוא להפוך את כל מגוון החלבונים שאורגניזם דורש, מאנזימים ועד הורמונים לחלקי תאים ושרירים. תהליך זה נקרא תרגום, והוא החלק השלישי של הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית: DNA ל- mRNA (תעתיק) לחלבון (תרגום).

הסיבה לכך נקראת תרגום היא שלריבוזומים, שנותרו לנפשם, אין דרך עצמאית "לדעת" אילו חלבונים להכין וכמה, למרות שיש את כל חומרי הגלם, הציוד וכוח העבודה נדרש. נחזור לאנלוגיה של "מרכז ההגשמה", דמיין כמה אלפי עובדים ממלאים את המעברים והתחנות של אחד מאותם עצומים מקומות, מסתכל סביב צעצועים וספרים ומוצרי ספורט אך לא מקבל שום הנחיות מהאינטרנט (או מכל מקום אחר) לגבי מה לעשות. שום דבר לא יקרה, או לפחות שום דבר לא יצרני לעסק.

מה שמתורגם, אם כן, הוא ההוראות המקודדות ב- mRNA, אשר בתורן מקבל את הקוד מ- DNA בגרעין התא (אם האורגניזם הוא אוקריוטה; פרוקריוטים חסרים גרעינים). בתהליך שעתוק, ה- mRNA עשוי מתבנית DNA, כאשר הנוקלאוטידים מתווספים ל- שרשרת mRNA גדלה המתאימה לנוקליאוטידים של גדיל ה- DNA התבנית ברמה של זיווג בסיס. A ב- DNA מייצר U ב- RNA, C מייצר G, G מייצר C ו- T מייצר A. מכיוון שהנוקלאוטידים הללו מופיעים ברצף לינארי, ניתן לשלב אותם בקבוצות של שניים, שלושה, עשר או כל מספר שהוא. כשזה קורה, קבוצה של שלושה נוקלאוטידים על מולקולת mRNA נקראת קודון, או "קודון משולש" למטרות ספציפיות. כל קודון נושא את ההוראות לאחת מ -20 חומצות אמינו, שיזכרו שהן אבני הבניין של החלבונים. לדוגמה, AUG, CCG ו- CGA הם כולם קודונים ונושאים את ההוראות להכנת חומצת אמינו ספציפית. ישנם 64 קודונים שונים (4 בסיסים שהועלו לעוצמה של 3 שווים 64) אך רק 20 חומצות אמינו; כתוצאה מכך, רוב חומצות האמינו מקודדות על ידי יותר משלישייה אחת, וזוג חומצות אמינו מוגדרות על ידי שישה קודונים משלישים שונים.

סינתזת חלבונים דורשת סוג נוסף של RNA, tRNA. סוג זה של RNA מביא פיזית את חומצות האמינו לריבוזום. לריבוזום שלושה אתרי קישור tRNA סמוכים, כמו מקומות חניה מותאמים אישית. האחד הוא ה אמינוציל אתר קשירה, המיועד למולקולת tRNA המחוברת לחומצת האמינו הבאה בחלבון, כלומר לחומצת האמינו הנכנסת. השנייה היא ה פפטידיל אתר קשירה, אליו מתחברת מולקולת ה- tRNA המרכזית המכילה את שרשרת הפפטיד הגדלה השלישי והאחרון הוא יְצִיאָה אתר קשירה, שם נעשה שימוש, מולקולות tRNA ריקות עכשיו משוחררות מהריבוזום.

לאחר שחומצות אמינו מפולימריות ונוצר עמוד שדרה חלבוני, הריבוזום משחרר את החלבון, המועבר לאחר מכן בפרוקריוטים לציטופלזמה ובאיקריוטים לגופי גולגי. לאחר מכן מעבדים ומשתחררים לחלוטין את החלבונים, בתוך התא ומחוצה לו, מכיוון שכל הריבוזומים מייצרים חלבונים לשימוש מקומי ורחוק כאחד. הריבוזומים יעילים מאוד; אחת בתא איקריוטי יכולה להוסיף שתי חומצות אמינו לשרשרת החלבון הגדלה בכל שנייה. בפרוקריוטים, הריבוזומים עובדים בקצב כמעט תזזיתי, ומוסיפים 20 חומצות אמינו לפוליפפטיד בכל שנייה.

הערת שוליים של אבולוציה: באיקריוטים ניתן למצוא ריבוזומים, בנוסף למיקומם בנקודות הנ"ל, גם במיטוכונדריה בבעלי חיים ובכלורופלסטים של צמחים. ריבוזומים אלה שונים מאוד בגודל ובהרכבם מריבוזומים אחרים הנמצאים בתאים אלה, ומקשיבים לריבוזומים הפרוקריוטים של תאי אצות חיידקיים וכחולים-ירוקים. זו נחשבת לראיה חזקה למדי לכך שמיטוכונדריה וכלורופלסטים התפתחו מפרוקריוטים אבותיים.