Grote retailers hebben tegenwoordig 'fulfillment centers' om het enorme aantal online bestellingen dat ze van over de hele wereld ontvangen te verwerken. Hier, in deze magazijnachtige structuren, worden individuele producten zo efficiënt mogelijk opgespoord, verpakt en verscheept naar miljoenen bestemmingen. Kleine structuren die ribosomen worden genoemd, zijn in feite de fulfilmentcentra van de cellulaire wereld en ontvangen bestellingen voor talloze eiwitproducten van boodschapper ribonucleïnezuur (mRNA) en om die producten snel en efficiënt in elkaar te zetten en op weg te helpen naar waar ze nodig zijn.
Ribosomen worden over het algemeen als organellen beschouwd, hoewel moleculaire biologiepuristen er soms op wijzen dat ze worden aangetroffen in prokaryoten (de meeste waarvan bacteriën) en eukaryoten en missen een membraan dat hen scheidt van het celinterieur, twee eigenschappen die kunnen worden diskwalificeren. In elk geval bezitten zowel prokaryote cellen als eukaryote cellen ribosomen, waarvan de structuur en functie tot de meer fascinerende lessen in biochemie, vanwege het aantal fundamentele concepten van de aanwezigheid en het gedrag van ribosomen laag streepje.
Waar zijn ribosomen van gemaakt?
Ribosomen bestaan uit ongeveer 60 procent eiwit en ongeveer 40 procent 40 ribosomaal RNA (rRNA). Dit is een interessante relatie aangezien een type RNA (messenger RNA of mRNA) nodig is voor eiwitsynthese, oftewel translatie. Dus in zekere zin zijn ribosomen als een dessert dat bestaat uit zowel ongewijzigde cacaobonen als geraffineerde chocolade.
RNA is een van de twee soorten nucleïnezuren die in de wereld van levende wezens worden aangetroffen, de andere is deoxyribonucleïnezuur of DNA. DNA is de meest beruchte van de twee en wordt vaak niet alleen genoemd in reguliere wetenschappelijke artikelen, maar ook in misdaadverhalen. Maar RNA is eigenlijk het meer veelzijdige molecuul.
Nucleïnezuren zijn opgebouwd uit monomeren, of afzonderlijke eenheden die functioneren als op zichzelf staande moleculen. Glycogeen is een polymeer van glucosemonomeren, eiwitten zijn polymeren van aminozuurmonomeren en nucleotiden zijn de monomeren waaruit DNA en RNA worden gemaakt. Nucleotiden bestaan op hun beurt uit een suikergedeelte met vijf ringen, een fosfaatgedeelte en een stikstofbasegedeelte. In DNA is de suiker deoxyribose, terwijl het in RNA ribose is; deze verschillen alleen doordat RNA een -OH (hydroxyl) groep heeft waar DNA een -H (een proton) heeft, maar de implicaties voor de indrukwekkende reeks functionaliteiten van RNA zijn aanzienlijk. Bovendien, terwijl de stikstofbase in zowel een DNA-nucleotide als een RNA-nucleotide een van de vier mogelijke typen is, zijn deze: typen in DNA zijn adenine, cytosine, guanine en thymine (A, C, G, T), terwijl in RNA uracil wordt vervangen door thymine (A, C, G, u). Ten slotte is DNA bijna altijd dubbelstrengs, terwijl RNA enkelstrengs is. Het is dit verschil met RNA dat misschien wel het meest bijdraagt aan de veelzijdigheid van RNA.
De drie belangrijkste soorten RNA zijn het bovengenoemde mRNA en rRNA, samen met transfer-RNA (tRNA). Terwijl bijna de helft van de massa van ribosomen rRNA is, genieten mRNA en tRNA beide van intieme en onmisbare relaties met zowel ribosomen als met elkaar.
In eukaryote organismen worden ribosomen meestal gevonden gehecht aan het endoplasmatisch reticulum, een netwerk van vliezige structuren die het best te vergelijken zijn met een snelweg of spoorwegsysteem voor cellen. Sommige eukaryote ribosomen en alle prokaryotische ribosomen worden vrij aangetroffen in het cytoplasma van de cel. Individuele cellen kunnen duizenden tot miljoenen ribosomen hebben; zoals je mag verwachten, hebben cellen die veel eiwitproducten produceren (bijv. pancreascellen) een hogere dichtheid van ribosomen.
De structuur van ribosomen
In prokaryoten omvatten ribosomen drie afzonderlijke rRNA-moleculen, terwijl in eukaryoten ribosomen vier afzonderlijke rRNA-moleculen omvatten. Ribosomen bestaan uit een grote subeenheid en een kleine subeenheid. Aan het begin van de 21e eeuw werd de volledige driedimensionale structuur van de subeenheden in kaart gebracht. Op basis van dit bewijs voorziet rRNA, niet eiwitten, het ribosoom van zijn basisvorm en functie; biologen hadden dat al lang vermoed. De eiwitten in ribosomen helpen voornamelijk om structurele hiaten op te vullen en versterken de belangrijkste taak van het ribosoom: de synthese van eiwitten. Eiwitsynthese kan zonder deze eiwitten plaatsvinden, maar gaat veel langzamer.
De feitelijke massa-eenheden van ribosomen zijn hun Svedberg (S)-waarden, die zijn gebaseerd op hoe snel de subeenheden naar de bodem van reageerbuizen zakken onder de middelpuntzoekende kracht van een centrifuge. De ribosomen van eukaryote cellen hebben gewoonlijk Svedberg-waarden van 80S en bestaan uit subeenheden van 40 en 60. (merk op dat S-eenheden duidelijk geen werkelijke massa's zijn; anders zou de wiskunde hier geen zin hebben.) Prokaryotische cellen daarentegen bevatten ribosomen die 70S bereiken, opgesplitst in 30S- en 50S-subeenheden.
Zowel eiwitten als nucleïnezuren, die elk zijn gemaakt van vergelijkbare maar niet identieke monomere eenheden, hebben een primaire, secundaire en tertiaire structuur. De primaire structuur van RNA is de volgorde van individuele nucleotiden, die op hun beurt afhangt van hun stikstofbasen. De letters AUCGGCAUGC beschrijven bijvoorbeeld een reeks van tien nucleotiden nucleïnezuur (een "polynucleotide" genoemd als het zo kort is) met de basen adenine, uracil, cytosine en guanine. De secundaire structuur van RNA beschrijft hoe de string buigt en knikt in een enkel vlak dankzij elektrochemische interacties tussen de nucleotiden. Als je een kralensnoer op een tafel legt en de ketting die ze verbindt was niet recht, dan zou je kijken naar de secundaire structuur van de kralen. Ten slotte verwijst tertiaire strictuur naar hoe het hele molecuul zichzelf in de driedimensionale ruimte rangschikt. Als je doorgaat met het voorbeeld van de kralen, kun je het van de tafel pakken en het in een balachtige vorm in je hand samendrukken, of zelfs in de vorm van een boot vouwen.
Dieper graven in ribosomale samenstelling Com
Lang voordat de geavanceerde laboratoriummethoden van vandaag beschikbaar kwamen, waren biochemici in staat om voorspellingen te doen over de secundaire structuur van rRNA op basis van de bekende primaire sequentie en de elektrochemische eigenschappen van individuele basen. Was A bijvoorbeeld geneigd om met U te paren als zich een gunstige knik vormde en hen dicht bij elkaar bracht? In het begin van de jaren 2000 bevestigde kristallografische analyse veel van de ideeën van de vroege onderzoekers over de vorm van rRNA, wat hielp om meer licht te werpen op de functie ervan. De kristallografische studies toonden bijvoorbeeld aan dat rRNA zowel deelneemt aan eiwitsynthese als structurele ondersteuning biedt, net zoals de eiwitcomponent van ribosomen. rRNA vormt het grootste deel van het moleculaire platform waarop translatie plaatsvindt en heeft katalytische activiteit, wat betekent dat rRNA direct deelneemt aan eiwitsynthese. Dit heeft ertoe geleid dat sommige wetenschappers de term "ribozym" (d.w.z. "ribosoom-enzym") gebruiken in plaats van "ribosoom" om de structuur te beschrijven.
e. coli bacteriën bieden een voorbeeld van hoeveel wetenschappers hebben kunnen leren over de ribosomale structuur van prokaryote. De grote subeenheid, of LSU, van de e. coli ribosoom bestaat uit verschillende 5S- en 23S-rRNA-eenheden en 33 eiwitten, r-eiwitten genoemd voor 'ribsomaal'. De kleine subeenheid, of SSU, omvat één 16S rRNA-gedeelte en 21 r-eiwitten. Grof gezegd is de SSU dus ongeveer tweederde van de grootte van de LSU. Bovendien omvat het rRNA van de LSU zeven domeinen, terwijl het rRNA van de SSU in vier domeinen kan worden verdeeld.
Het rRNA van eukaryote ribosomen heeft ongeveer 1.000 meer nucleotiden dan het rRNA van prokaryotische ribosomen - ongeveer 5.500 vs. 4,500. Terwijl e. coli ribosomen bevatten 54 r-eiwitten tussen de LSU (33) en de SSU (21), eukaryote ribosomen hebben 80 r-eiwitten. Het eukaryote ribosoom omvat ook rRNA-expansiesegmenten, die zowel structurele als eiwitsyntheserollen spelen.
Ribosoomfunctie: vertaling
De taak van het ribosoom is het maken van het hele scala aan eiwitten dat een organisme nodig heeft, van enzymen tot hormonen tot delen van cellen en spieren. Dit proces wordt vertaling genoemd en het is het derde deel van het centrale dogma van de moleculaire biologie: DNA naar mRNA (transcriptie) naar eiwit (vertaling).
De reden dat dit vertaling wordt genoemd, is dat de ribosomen, aan hun lot overgelaten, geen onafhankelijke manier hebben om "weten" welke eiwitten je moet maken en hoeveel, ondanks het feit dat je alle grondstoffen, de apparatuur en het personeel hebt verplicht. Terugkerend naar de analogie van het "fulfilment center": stel je voor dat een paar duizend arbeiders de gangpaden en stations vullen van een van deze enorme plaatsen, rondkijken naar speelgoed en boeken en sportartikelen, maar geen aanwijzingen krijgen van internet (of ergens anders) over wat Te doen. Er zou niets gebeuren, of in ieder geval niets productiefs voor het bedrijf.
Wat wordt vertaald, zijn de instructies die zijn gecodeerd in mRNA, dat op zijn beurt de code van DNA in de celkern krijgt (als het organisme een eukaryoot is; prokaryoten missen kernen). Tijdens het transcriptieproces wordt mRNA gemaakt van een DNA-sjabloon, waarbij de nucleotiden aan de. worden toegevoegd groeiende mRNA-keten die overeenkomt met de nucleotiden van de matrijs-DNA-streng op het niveau van basenparen. A in DNA genereert U in RNA, C genereert G, G genereert C en T genereert A. Omdat deze nucleotiden in een lineaire volgorde verschijnen, kunnen ze worden opgenomen in groepen van twee, drie, tien of een willekeurig aantal. Toevallig wordt een groep van drie nucleotiden op een mRNA-molecuul voor specificiteitsdoeleinden een codon of "tripletcodon" genoemd. Elk codon bevat de instructies voor een van de 20 aminozuren, die u zich herinnert, de bouwstenen van eiwitten. AUG, CCG en CGA zijn bijvoorbeeld allemaal codons en dragen de instructies voor het maken van een specifiek aminozuur. Er zijn 64 verschillende codons (4 basen verhoogd tot de macht van 3 is gelijk aan 64) maar slechts 20 aminozuren; als resultaat worden de meeste aminozuren gecodeerd door meer dan één triplet, en een paar aminozuren worden gespecificeerd door zes verschillende tripletcodons.
Eiwitsynthese vereist nog een ander type RNA, tRNA. Dit type RNA brengt de aminozuren fysiek naar het ribosoom. Een ribosoom heeft drie aangrenzende tRNA-bindingsplaatsen, zoals gepersonaliseerde parkeerplaatsen. Een is de is aminoacyl bindingsplaats, die voor het tRNA-molecuul is dat is gehecht aan het volgende aminozuur in het eiwit, dat wil zeggen, het binnenkomende aminozuur. De tweede is de peptidyl bindingsplaats, waar het centrale tRNA-molecuul met de groeiende peptideketen zich hecht. De derde en laatste is een Uitgang bindingsplaats, waar gebruikt, nu lege tRNA-moleculen worden afgevoerd uit het ribosoom.
Zodra aminozuren zijn gepolymeriseerd en een eiwitruggengraat is gevormd, geeft het ribosoom het eiwit vrij, dat vervolgens in prokaryoten naar het cytoplasma en in eukaryoten naar de Golgi-lichamen wordt getransporteerd. De eiwitten worden vervolgens volledig verwerkt en vrijgegeven, binnen of buiten de cel, aangezien alle ribosomen eiwitten produceren voor zowel lokaal als ver weg. Ribosomen zijn zeer efficiënt; een enkele in een eukaryote cel kan elke seconde twee aminozuren toevoegen aan een groeiende eiwitketen. In prokaryoten werken ribosomen in een bijna razend tempo, waarbij elke seconde 20 aminozuren aan een polypeptide worden toegevoegd.
Een evolutievoetnoot: In eukaryoten zijn ribosomen, naast dat ze zich op de bovengenoemde plekken bevinden, ook te vinden in de mitochondriën van dieren en de chloroplasten van planten. Deze ribosomen zijn zeer verschillend in grootte en samenstelling van andere ribosomen die in deze cellen worden gevonden, en luisteren naar de prokaryotische ribosomen van bacteriële en blauwgroene algencellen. Dit wordt als redelijk sterk bewijs beschouwd dat mitochondriën en chloroplasten zijn geëvolueerd uit voorouderlijke prokaryoten.