Ribosomer: definisjon, funksjon og struktur (eukaryoter og prokaryoter)

Store forhandlere har i disse dager "oppfyllingssentre" for å håndtere det store volumet av onlinebestillinger de mottar fra hele verden. Her, i disse lagerlignende konstruksjonene, spores individuelle produkter, pakkes og sendes til millioner av destinasjoner så effektivt som mulig. Små strukturer kalt ribosomer er i virkeligheten oppfyllelsessentrene i den mobile verden, og mottar bestillinger på utallige proteinprodukter fra messenger ribonukleinsyre (mRNA) og raskt og effektivt få disse produktene samlet og på vei dit de trengs.

Ribosomer blir generelt sett på som organeller, selv om molekylærbiologiske purister noen ganger påpeker at de finnes i prokaryoter (de fleste hvorav er bakterier) så vel som eukaryoter og mangler en membran som skiller dem fra celleinnredningen, to egenskaper som kan være diskvalifiserende. I alle fall har både prokaryote celler og eukaryote celler ribosomer, hvis struktur og funksjon er blant mer fascinerende leksjoner i biokjemi, på grunn av hvor mange grunnleggende konsepter ribosomens tilstedeværelse og oppførsel understrek.

Ribosomer består av ca 60 prosent protein og ca 40 prosent ribosomalt RNA (rRNA). Dette er et interessant forhold gitt at en type RNA (messenger RNA eller mRNA) er nødvendig for proteinsyntese, eller oversettelse. Så på en måte er ribosomer som en dessert som består av både umodifiserte kakaobønner og raffinert sjokolade.

RNA er en av to typer nukleinsyrer som finnes i en verden av levende ting, den andre er deoksyribonukleinsyre eller DNA. DNA er den mest beryktede av de to, og blir ofte omtalt ikke bare i vanlige vitenskapelige artikler, men også i kriminelle historier. Men RNA er faktisk det mer allsidige molekylet.

Nukleinsyrer består av monomerer, eller forskjellige enheter som fungerer som frittstående molekyler. Glykogen er en polymer av glukosemonomerer, proteiner er polymerer av aminosyremonomerer og nukleotider er monomerene som DNA og RNA er laget av. Nukleotider består i sin tur av en fem-ring sukker del, en fosfat del og en nitrogenholdig base del. I DNA er sukkeret deoksyribose, mens det i RNA er ribose; disse skiller seg bare ut ved at RNA har en -OH (hydroksyl) gruppe der DNA har en -H (et proton), men implikasjonene for RNAs imponerende utvalg av funksjonalitet er betydelige. I tillegg, mens den nitrogenholdige basen i både et DNA-nukleotid og et RNA-nukleotid er en av fire mulige typer, er disse typer i DNA er adenin, cytosin, guanin og tymin (A, C, G, T) mens i RNA er uracil erstattet av tymin (A, C, G, U). Til slutt er DNA nesten alltid dobbeltstrenget, mens RNA er enkeltstrenget. Det er denne forskjellen fra RNA som kanskje bidrar mest til RNAs allsidighet.

De tre hovedtypene av RNA er nevnte mRNA og rRNA sammen med overførings-RNA (tRNA). Mens nær halvparten av massen av ribosomer er rRNA, har begge mRNA og tRNA intime og uunnværlige forhold til både ribosomene og hverandre.

I eukaryote organismer finnes ribosomer for det meste festet til endoplasmatisk retikulum, et nettverk av membranstrukturer som best sammenlignes med et motorvei- eller jernbanesystem for celler. Noen eukaryote ribosomer og alle prokaryote ribosomer er funnet frie i celleplasten. Individuelle celler kan ha fra tusenvis til millioner av ribosomer; Som du kanskje forventer, har celler som produserer mye proteinprodukter (f.eks. bukspyttkjertelceller) en høyere tetthet av ribosomer.

I prokaryoter inkluderer ribosomer tre separate rRNA-molekyler, mens ribosomer i eukaryoter inkluderer fire separate rRNA-molekyler. Ribosomer består av en stor underenhet og en liten underenhet. På begynnelsen av det 21. århundre ble den komplette tredimensjonale strukturen til underenhetene kartlagt. Basert på dette beviset gir rRNA, ikke proteiner, ribosomet med sin grunnleggende form og funksjon; biologer hadde lenge mistenkt så mye. Proteinene i ribosomer hjelper primært med å fylle ut strukturelle hull og forbedre ribosomets viktigste jobb - syntesen av proteiner. Proteinsyntese kan forekomme uten disse proteinene, men gjør det i et mye lavere tempo.

De facto masseenhetene til ribosomer er deres Svedberg (S) -verdier, som er basert på hvor raskt underenhetene legger seg til bunnen av reagensrør under sentripetalkraften til en sentrifuge. Ribosomene til eukaryote celler har vanligvis Svedberg-verdier på 80S og består av 40- og 60-underenheter. (merk at S-enheter tydeligvis ikke er faktiske masser; ellers ville matematikken her ikke gi mening.) I motsetning til dette inneholder prokaryote celler ribosomer som når 70S, delt i 30S og 50S underenheter.

Både proteiner og nukleinsyrer, som hver er laget av lignende, men ikke identiske monomere enheter, har en primær, sekundær og tertiær struktur. Den primære strukturen til RNA er bestillingen av individuelle nukleotider, som igjen avhenger av deres nitrogenholdige baser. For eksempel beskriver bokstavene AUCGGCAUGC en ti-nukleotidstreng av nukleinsyre (kalt et "polynukleotid" når det er så kort) med basene adenin, uracil, cytosin og guanin. Den sekundære strukturen til RNA beskriver hvordan strengen antar bøyninger og knekk i et enkelt plan takket være elektrokjemiske interaksjoner mellom nukleotidene. Hvis du legger en streng med perler på et bord og kjeden som forbinder dem ikke var rett, ville du se på perlenes sekundære struktur. Til slutt refererer tertiær strengering til hvordan hele molekylet ordner seg i et tredimensjonalt rom. Fortsetter du med perleeksemplet, kan du plukke det opp fra bordet og komprimere det til en balllignende form i hånden, eller til og med brette den til en båtform.

I god tid før de avanserte laboratoriemetodene i dag ble tilgjengelige, var biokjemikere i stand til å komme med spådommer om den sekundære strukturen til rRNA basert på den kjente primære sekvensen og individets elektrokjemiske egenskaper baser. For eksempel var A tilbøyelig til å parre seg med U hvis en fordelaktig kink dannet seg og førte dem i nærheten? På begynnelsen av 2000-tallet bekreftet krystallografisk analyse mange av de tidlige forskernes ideer om rRNAs form, noe som hjalp med å belyse dens funksjon ytterligere. For eksempel viste de krystallografiske studiene at rRNA begge deltar i proteinsyntese og gir strukturell støtte, omtrent som ribosomers proteinkomponent. rRNA utgjør det meste av den molekylære plattformen der translasjon forekommer og har katalytisk aktivitet, noe som betyr at rRNA deltar direkte i proteinsyntese. Dette har ført til at noen forskere bruker begrepet "ribozym" (dvs. "ribosomeenzym") i stedet for "ribosom" for å beskrive strukturen.

E. coli bakterier gir et eksempel på hvor mye forskere har vært i stand til å lære om prokaryot ribosomal struktur. Den store underenheten, eller LSU, til E. coli ribosom består av forskjellige 5S og 23S rRNA enheter og 33 proteiner, kalt r-proteiner for "ribsomal." Den lille underenheten, eller SSU, inkluderer en 16S rRNA-del og 21 r-proteiner. Grovt sett er SSU omtrent to tredjedeler av størrelsen på LSU. I tillegg inkluderer rRNA av LSU syv domener, mens rRNA av SSU kan deles inn i fire domener.

RRNA av eukaryote ribosomer har omtrent 1000 flere nukleotider enn rRNA for prokaryote ribosomer - omtrent 5500 vs. 4,500. Mens E. coli ribosomer har 54 r-proteiner mellom LSU (33) og SSU (21), eukaryote ribosomer har 80 r-proteiner. Det eukaryote ribosomet inkluderer også rRNA-ekspansjonssegmenter, som spiller både strukturelle og proteinsyntese roller.

Ribosomets jobb er å lage hele spekteret av proteiner en organisme krever, fra enzymer til hormoner til deler av celler og muskler. Denne prosessen kalles oversettelse, og det er den tredje delen av det sentrale dogmet av molekylærbiologi: DNA til mRNA (transkripsjon) til protein (oversettelse).

Årsaken til at dette kalles oversettelse er at ribosomene, overlatt til seg selv, ikke har noen uavhengig måte å "vet" hvilke proteiner du skal lage og hvor mye, til tross for at du har alt av råvarer, utstyr og arbeidsstyrke kreves. Gå tilbake til "oppfyllelsessenteret" -logien, forestill deg noen få tusen arbeidere som fyller gangene og stasjonene til en av disse enorme steder, ser seg rundt på leker og bøker og sportsutstyr, men får ingen retning fra Internett (eller hvor som helst annet) om hva å gjøre. Ingenting ville skje, eller i det minste ingenting produktivt for virksomheten.

Det som oversettes er altså instruksjonene kodet i mRNA, som igjen får koden fra DNA i cellens kjerne (hvis organismen er en eukaryot; prokaryoter mangler kjerner). I transkripsjonsprosessen er mRNA laget av en DNA-mal, med nukleotidene lagt til voksende mRNA-kjede som tilsvarer nukleotidene til mal-DNA-strengen på nivået av baseparring. A i DNA genererer U i RNA, C genererer G, G genererer C, og T genererer A. Fordi disse nukleotidene vises i en lineær sekvens, kan de innlemmes i grupper på to, tre, ti eller et hvilket som helst tall. Når det skjer, kalles en gruppe på tre nukleotider på et mRNA-molekyl et kodon, eller "triplettkodon" for spesifisitetsformål. Hver kodon inneholder instruksjonene for en av 20 aminosyrer, som du husker er byggesteinene til proteiner. For eksempel er AUG, CCG og CGA kodoner og inneholder instruksjonene for å lage en spesifikk aminosyre. Det er 64 forskjellige kodoner (4 baser hevet til kraften 3 tilsvarer 64), men bare 20 aminosyrer; som et resultat blir de fleste aminosyrer kodet for av mer enn en triplett, og et par aminosyrer er spesifisert av seks forskjellige triplettkodoner.

Proteinsyntese krever nok en annen type RNA, tRNA. Denne typen RNA bringer fysisk aminosyrene til ribosomet. Et ribosom har tre tilstøtende tRNA-bindingssteder, som personlige parkeringsplasser. Den ene er aminoacyl bindingssted, som er for tRNA-molekylet festet til neste aminosyre i proteinet, det vil si den innkommende aminosyren. Det andre er peptidyl bindingssted, der det sentrale tRNA-molekylet som inneholder den voksende peptidkjeden fester seg. Den tredje og siste er en exit bindingssted, hvor det brukes, nå tømmes tRNA-molekyler ut fra ribosomet.

Når aminosyrene er polymerisert og det har dannet seg en proteinkjede, frigjør ribosomet proteinet, som deretter transporteres i prokaryoter til cytoplasmaet og i eukaryoter til Golgi-kroppene. Proteinene blir deretter fullstendig bearbeidet og frigitt, enten i eller utenfor cellen, ettersom alle ribosomer produserer proteiner for både lokal og fjern bruk. Ribosomer er veldig effektive; en enkelt i en eukaryot celle kan tilsette to aminosyrer til en voksende proteinkjede hvert sekund. I prokaryoter fungerer ribosomer i et nesten hektisk tempo, og tilfører 20 aminosyrer til et polypeptid hvert sekund.

En evolusjonsfotnote: I eukaryoter finnes ribosomer, i tillegg til å være lokalisert i de nevnte stedene, også i mitokondriene hos dyr og kloroplaster av planter. Disse ribosomene er veldig forskjellige i størrelse og sammensetning fra andre ribosomer som finnes i disse cellene, og hører på de prokaryote ribosomene til bakterielle og blågrønne alger celler. Dette regnes som rimelig sterke bevis for at mitokondrier og kloroplaster utviklet seg fra forfedre prokaryoter.