Alle levende ting krever proteiner for forskjellige funksjoner. Innen celler definerer forskere ribosomer som produsenter av disse proteinene. Ribosomalt DNA (rDNA)tjener derimot som forløpergenetisk kode for disse proteinene og utfører også andre funksjoner.
TL; DR (for lang; Leste ikke)
Ribosomer fungerer som proteinfabrikker i cellene til organismer. Ribosomalt DNA (rDNA) er forløperkoden for disse proteinene, og tjener andre viktige funksjoner i cellen.
Hva er et ribosom?
Man kan definere ribosomer som molekylære proteinfabrikker. På sitt mest enkle er et ribosom en type organell som finnes i cellene til alle levende ting. Ribosomer kan begge flyte fritt i cytoplasma av en celle, eller kan ligge på overflaten av endoplasmatisk retikulum (ER). Denne delen av ER er referert til grov ER.
Proteiner og nukleinsyrer består av ribosomer. De fleste av disse kommer fra kjernen. Ribosomer er laget av to underenheter, den ene større enn den andre. I enklere livsformer som bakterier og arkebakterier er ribosomene og deres underenheter mindre enn i mer avanserte livsformer.
I disse enklere organismer blir ribosomene referert til som 70S ribosomer og er laget av en 50S underenhet og en 30S underenhet. “S” refererer til sedimenteringshastigheten for molekyler i en sentrifuge.
I mer komplekse organismer som mennesker, planter og sopp er ribosomer større, og blir referert til som 80S ribosomer. Disse ribosomene består av henholdsvis en 60S og en 40S underenhet. Mitokondrier har sine egne 70S-ribosomer, noe som antyder en eldgammel mulighet for at eukaryoter konsumerte mitokondrier som bakterier, men likevel holdt dem som nyttige symbiotier.
Ribosomer kan være laget av så mange som 80 proteiner, og mye av massen deres kommer fra ribosomalt RNA (rRNA).
Hva gjør ribosomer?
De sjeffunksjonen til et ribosom er å bygge proteiner. Det gjør det ved å oversette en kode gitt fra en cellekjernen via mRNA (messenger ribonukleinsyre). Ved å bruke denne koden vil ribosomet grense til aminosyrer som blir brakt til den av tRNA (overfør ribonukleinsyre).
Til slutt vil dette nye polypeptidet frigjøres i cytoplasmaet og modifiseres videre som et nytt, fungerende protein.
Tre trinn med proteinproduksjon
Selv om det generelt er enkelt å definere ribosomer som proteinfabrikker, hjelper det å forstå det faktiske trinn av proteinproduksjon. Disse trinnene må gjøres effektivt og riktig for å sikre at det ikke oppstår skade på et nytt protein.
Det første trinnet med proteinproduksjon (aka oversettelse) er kalt innvielse. Spesielle proteiner bringer mRNA til den mindre underenheten til et ribosom, der det kommer inn via en kløft. Deretter blir tRNA klargjort og ført gjennom en annen kløft. Alle disse molekylene fester seg mellom de større og mindre underenhetene til ribosomet, noe som gjør et aktivt ribosom. Den større underenheten fungerer primært som en katalysator, mens den mindre underenheten fungerer som en dekoder.
Det andre trinnet, forlengelse, starter når mRNA blir "lest". TRNA leverer en aminosyre, og denne prosessen gjentas, og forlenger kjeden av aminosyrer. Aminosyrene hentes fra cytoplasmaet; de leveres av mat.
Avslutning representerer slutten på proteinfremstillingen. Ribosomet leser en stoppkodon, en sekvens av genet som instruerer det om å fullføre proteinbyggingen. Proteiner kalt frigjøringsfaktorproteiner hjelper ribosomet med å frigjøre hele proteinet i cytoplasmaet. De nylig frigitte proteinene kan brettes eller modifiseres i post-translationell modifikasjon.
Ribosomer kan arbeide i høy hastighet for å koble aminosyrer sammen, og kan noen ganger bli med 200 av dem i minuttet! Større proteiner kan ta noen timer å bygge. Proteinene ribosomer fortsetter å utføre viktige funksjoner for livet, som utgjør muskler og annet vev. Cellen til et pattedyr kan inneholde så mange som 10 milliarder proteinmolekyler og 10 millioner ribosomer! Når ribosomer fullfører arbeidet, skiller underenhetene seg fra hverandre og kan resirkuleres eller brytes ned.
Forskere bruker sin kunnskap om ribosomer til å lage nye antibiotika og andre medisiner. For eksempel eksisterer det nye antibiotika som utfører et målrettet angrep på 70S ribosomer i bakterier. Etter hvert som forskere lærer mer om ribosomer, vil det uten tvil avdekkes flere tilnærminger til nye medisiner.
Hva er ribosomalt DNA?
Ribosomalt DNA, eller ribosomal deoksyribonukleinsyre (rDNA), er DNA som koder for ribosomale proteiner som danner ribosomer. Dette rDNA utgjør en relativt liten del av humant DNA, men dens rolle er avgjørende for flere prosesser. Det meste av RNA som finnes i eukaryoter kommer fra ribosomalt RNA som ble transkribert fra rDNA.
Denne transkripsjonen av rDNA er innstilt under cellesyklusen. Selve rDNA kommer fra nucleolus, som ligger inne i cellens kjerne.
Produksjonsnivået for rDNA i celler varierer avhengig av stress og næringsnivåer. Når det er sult, faller transkripsjon av rDNA. Når det er mange ressurser, øker rDNA-produksjonen.
Ribosomalt DNA er ansvarlig for å kontrollere metabolismen av celler, genuttrykk, respons på stress og til og med aldring. Det må være et stabilt nivå av rDNA-transkripsjon for å unngå celledød eller svulstdannelse.
Et interessant trekk ved rDNA er den store serien av gjentatte gener. Det er flere rDNA-gjentakelser enn nødvendig for rRNA. Selv om årsaken til dette er uklar, tror forskere at dette kan ha å gjøre med behovet for forskjellige hastigheter av proteinsyntese som forskjellige punkter i utviklingen.
Disse repeterende rDNA-sekvensene kan føre til problemer med genomisk integritet. De er vanskelige å transkribere, replikere og reparere, noe som igjen fører til total ustabilitet som kan føre til sykdommer. Hver gang rDNA-transkripsjon skjer i høyere grad, er det en økt risiko for pauser i rDNA og andre feil. Regulering av repeterende DNA er viktig for helsen til organismen.
Betydningen for rDNA og sykdom
Ribosomalt DNA (rDNA) -problemer har vært involvert i en rekke sykdommer hos mennesker, inkludert nevrodegenerative lidelser og kreft. Når det er større ustabilitet av rDNA, problemer oppstår. Dette skyldes gjentatte sekvenser funnet i rDNA, som er utsatt for rekombinasjonshendelser som gir mutasjoner.
Noen sykdommer kan oppstå fra økt rDNA-ustabilitet (og dårlig ribosom- og proteinsyntese). Forskere har funnet ut at celler fra pasienter med Cockayne syndrom, Bloom syndrom, Werner syndrom og ataksi-telangiektasi inneholder økt rDNA ustabilitet.
DNA-repeteringsinstabilitet er også demonstrert i en rekke nevrologiske sykdommer slik som Huntingtons sykdom, ALS (amyotrofisk lateral sklerose) og frontotemporal demens. Forskere tror at rDNA-relatert nevrodegenerasjon oppstår fra høy rDNA-transkripsjon som gir rDNA-skade og dårlige rRNA-transkripsjoner. Problemer med ribosomproduksjon kan også spille en rolle.
Et antall solide svulstkreft tilfeldigvis viser omlegginger av rDNA, inkludert flere gjentakende sekvenser. RDNA-kopitallene påvirker hvordan ribosomer dannes, og derfor hvordan proteinene deres utvikler seg. Forbedret proteinproduksjon av ribosomer gir en anelse om sammenhengen mellom ribosomalt DNA-repeteringssekvenser og tumorutvikling.
Håpet er den romanen kreft terapier kan lages som utnytter sårbarheten til svulster på grunn av repeterende rDNA.
Ribosomalt DNA og aldring
Forskere avdekket nylig bevis for at rDNA også spiller en rolle i aldring. Forskere fant at når dyr blir eldre, gjennomgår deres rDNA en epigenetisk endring som kalles metylering. Metylgrupper endrer ikke DNA-sekvensen, men de endrer hvordan gener uttrykkes.
En annen potensiell ledetråd i aldring er reduksjonen av rDNA-repetisjoner. Mer forskning er nødvendig for å belyse rollen til rDNA og aldring.
Etter hvert som forskere lærer mer om rDNA og hvordan det kan påvirke ribosomer og proteinutvikling, er det fortsatt bra løfte om nye medisiner for å behandle ikke bare aldring, men også skadelige tilstander som kreft og nevrologiske lidelser.