Ribozomi: definiție, funcție și structură (eucariote și procariote)

În prezent, marii comercianți cu amănuntul au „centre de îndeplinire” pentru a gestiona volumul mare de comenzi online pe care le primesc din întreaga lume. Aici, în aceste structuri de tip depozit, produsele individuale sunt urmărite, ambalate și expediate către milioane de destinații cât mai eficient posibil. Structurile mici numite ribozomi sunt de fapt centrele de împlinire ale lumii celulare, primind comenzi pentru nenumărate produse proteice de la acid ribonucleic mesager (ARNm) și obținerea rapidă și eficientă a acestor produse asamblate și pe drumul către locul în care sunt necesare.

Ribozomii sunt în general considerați organite, deși puriștii din biologia moleculară subliniază uneori că se găsesc în procariote (majoritatea dintre care sunt bacterii), precum și eucariote și nu au o membrană care să le separe de interiorul celulei, două trăsături care ar putea fi descalificatoare. În orice caz, atât celulele procariote, cât și celulele eucariote posedă ribozomi, a căror structură și funcție sunt printre lecții mai fascinante de biochimie, datorită numărului de concepte fundamentale prezența și comportamentul ribozomilor sublinia.

Ribozomii constau în aproximativ 60% proteine ​​și aproximativ 40% ARN ribozomal (ARNr). Aceasta este o relație interesantă, dat fiind că un tip de ARN (ARN mesager sau ARNm) este necesar pentru sinteza proteinelor sau pentru traducere. Deci, într-un fel, ribozomii sunt ca un desert format atât din boabe de cacao nemodificate, cât și din ciocolată rafinată.

ARN-ul este unul dintre cele două tipuri de acizi nucleici care se găsesc în lumea viețuitoarelor, celălalt fiind acidul dezoxiribonucleic sau ADN-ul. ADN-ul este cel mai notoriu dintre cele două, fiind adesea menționat nu numai în articolele științifice principale, ci și în poveștile despre crime. Dar ARN este de fapt cea mai versatilă moleculă.

Acizii nucleici sunt compuși din monomeri sau unități distincte care funcționează ca molecule independente. Glicogenul este un polimer al monomerilor glucozei, proteinele sunt polimeri ai monomerilor aminoacizilor și nucleotidele sunt monomerii din care sunt fabricate ADN și ARN. La rândul său, nucleotidele constau dintr-o porțiune de zahăr cu cinci inele, o porțiune fosfat și o porțiune de bază azotată. În ADN, zahărul este dezoxiriboză, în timp ce în ARN este riboză; acestea diferă doar prin faptul că ARN-ul are o grupare -OH (hidroxil) în care ADN-ul are un -H (un proton), dar implicațiile pentru funcționalitatea impresionantă a ARN-ului sunt considerabile. În plus, în timp ce baza azotată atât în ​​nucleotida ADN cât și în nucleotida ARN este unul dintre cele patru tipuri posibile, acestea tipurile de ADN sunt adenina, citozina, guanina și timina (A, C, G, T), în timp ce în ARN, uracilul este substituit cu timina (A, C, G, U). În cele din urmă, ADN-ul este aproape întotdeauna dublu catenar, în timp ce ARN este monocatenar. Această diferență față de ARN este probabil cea care contribuie cel mai mult la versatilitatea ARN.

Cele trei tipuri majore de ARN sunt ARNm și ARNR menționate mai sus, împreună cu ARN de transfer (ARNt). În timp ce aproape jumătate din masa ribozomilor este ARNr, ARNm și ARNt se bucură de relații intime și indispensabile atât cu ribozomi cât și cu ceilalți.

În organismele eucariote, ribozomii se găsesc în cea mai mare parte atașați la reticulul endoplasmatic, o rețea de structuri membranare asemănate cel mai bine cu o autostradă sau un sistem feroviar pentru celule. Unii ribozomi eucarioti și toți ribozomii procarioti se găsesc liberi în citoplasma celulei. Celulele individuale pot avea de la mii la milioane de ribozomi; după cum vă puteți aștepta, celulele care produc o mulțime de produse proteice (de exemplu, celulele pancreatice) au o densitate mai mare de ribozomi.

La procariote, ribozomii includ trei molecule de ARNr separate, în timp ce la eucariote ribozomii includ patru molecule de ARNr separate. Ribozomii constau dintr-o subunitate mare și o subunitate mică. La începutul secolului 21, structura completă tridimensională a subunităților a fost cartografiată. Pe baza acestor dovezi, ARNr, nu proteinele, oferă ribozomului forma și funcția sa de bază; biologii bănuiseră de mult la fel. Proteinele din ribozomi ajută în primul rând să umple golurile structurale și să îmbunătățească activitatea principală a ribozomului - sinteza proteinelor. Sinteza proteinelor poate apărea fără aceste proteine, dar o face într-un ritm mult mai lent.

Unitățile de masă de facto ale ribozomilor sunt valorile lor Svedberg (S), care se bazează pe cât de repede se subunizează subunitățile la fundul eprubetelor sub forța centripetă a unei centrifuge. Ribozomii celulelor eucariote au de obicei valori Svedberg de 80S și constau din subunități anilor 40 și 60. (rețineți că unitățile S nu sunt în mod clar mase reale; altfel, matematica de aici nu ar avea sens.) În schimb, celulele procariote conțin ribozomi care ajung la 70S, împărțiți în subunități 30S și 50S.

Atât proteinele cât și acizii nucleici, fiecare fiind format din unități monomerice similare, dar nu identice, au o structură primară, secundară și terțiară. Structura primară a ARN-ului este ordonarea nucleotidelor individuale, care la rândul lor depind de bazele lor azotate. De exemplu, literele AUCGGCAUGC descriu un șir de zece nucleotide de acid nucleic (numit „polinucleotidă” când este atât de scurt) cu bazele adenină, uracil, citozină și guanină. Structura secundară a ARN descrie modul în care șirul își asumă îndoiri și îndoituri într-un singur plan datorită interacțiunilor electrochimice dintre nucleotide. Dacă așezați un șir de mărgele pe o masă și lanțul care le unea nu era drept, v-ați uita la structura secundară a mărgelelor. În cele din urmă, strictura terțiară se referă la modul în care întreaga moleculă se aranjează în spațiul tridimensional. Continuând cu exemplul de margele, îl puteți ridica de pe masă și îl puteți comprima într-o formă asemănătoare unei bile în mână sau chiar să-l pliați în formă de barcă.

Cu mult înainte ca metodele avansate de laborator de astăzi să devină disponibile, biochimiștii au reușit să facă previziuni structura secundară a ARNr bazată pe secvența primară cunoscută și proprietățile electrochimice ale individului baze. De exemplu, A era înclinat să se împerecheze cu U dacă s-a format o strâmbătură avantajoasă și i-a adus în imediata apropiere? La începutul anilor 2000, analiza cristalografică a confirmat multe dintre ideile primilor cercetători cu privire la forma ARNr, ajutând să arunce o lumină suplimentară asupra funcției sale. De exemplu, studiile cristalografice au demonstrat că ARNr participă la sinteza proteinelor și oferă suport structural, la fel ca componenta proteică a ribozomilor. ARNr reprezintă cea mai mare parte a platformei moleculare pe care are loc traducerea și are activitate catalitică, ceea ce înseamnă că ARNr participă direct la sinteza proteinelor. Acest lucru a condus la unii oameni de știință care folosesc termenul „ribozimă” (adică „enzimă ribozomică”) în loc de „ribozom” pentru a descrie structura.

E. coli bacteriile oferă un exemplu de cât de mult oamenii de știință au putut afla despre structura ribozomală procariotă. Subunitatea mare sau LSU a E. coli ribozomul este format din unități distincte de ARNr 5S și 23S și 33 de proteine, numite proteine ​​r pentru „ribsomal”. Subunitatea mică sau SSU include o porțiune de ARNr 16S și 21 proteine ​​r. Apropo, SSU are aproximativ două treimi dimensiunea LSU. În plus, ARNr al LSU include șapte domenii, în timp ce ARNr al SSU poate fi împărțit în patru domenii.

ARNr-ul ribozomilor eucarioti are aproximativ 1.000 de nucleotide mai mult decât are ARNr-ul ribozomilor procarioti - aproximativ 5.500 vs. 4,500. Întrucât E. coli ribozomii prezintă 54 de proteine ​​r între LSU (33) și SSU (21), ribozomii eucariote au 80 de proteine ​​r. Ribozomul eucariot include, de asemenea, segmente de expansiune a ARNr, care joacă atât roluri structurale, cât și de sinteză proteică.

Slujba ribozomului este de a face întreaga gamă de proteine ​​de care are nevoie un organism, de la enzime la hormoni până la porțiuni de celule și mușchi. Acest proces se numește traducere și este a treia parte a dogmei centrale a biologiei moleculare: ADN către ARNm (transcripție) în proteină (traducere).

Motivul pentru care se numește traducere este că ribozomii, lăsați la dispoziția lor, nu au o cale independentă de a „știți” ce proteine ​​să faceți și cât de mult, în ciuda faptului că aveți toate materiile prime, echipamentele și forța de muncă necesar. Revenind la analogia „centrului de împlinire”, imaginați-vă câteva mii de lucrători umplând culoarele și stațiile unuia dintre aceste enorme locuri, uitându-se în jur la jucării și cărți și articole sportive, dar fără a obține nicio direcție de pe Internet (sau din altă parte) despre ce a face. Nimic nu s-ar întâmpla sau cel puțin nimic productiv pentru afacere.

Ceea ce este tradus, atunci, este instrucțiunile codificate în ARNm, care la rândul său obține codul de la ADN-ul din nucleul celulei (dacă organismul este un eucariot; procariotelor le lipsesc nucleele). În procesul de transcriere, ARNm este realizat dintr-un model ADN, cu nucleotidele adăugate la lanț de ARNm în creștere corespunzător nucleotidelor șirului ADN șablon la nivelul asociere de bază. A din ADN generează U în ARN, C generează G, G generează C și T generează A. Deoarece aceste nucleotide apar într-o secvență liniară, ele pot fi încorporate în grupuri de doi, trei, zece sau orice număr. După cum se întâmplă, un grup de trei nucleotide pe o moleculă de ARNm se numește codon sau „codon triplet” în scopuri specifice. Fiecare codon conține instrucțiunile pentru unul dintre cei 20 de aminoacizi, pe care îi veți aminti că sunt elementele constitutive ale proteinelor. De exemplu, AUG, CCG și CGA sunt toți codoni și poartă instrucțiunile pentru fabricarea unui aminoacid specific. Există 64 de codoni diferiți (4 baze ridicate la puterea a 3 egal cu 64), dar doar 20 de aminoacizi; ca rezultat, majoritatea aminoacizilor sunt codificați de mai mult de un triplet, iar câțiva aminoacizi sunt specificați de șase codoni triplet diferiți.

Sinteza proteinelor necesită încă un alt tip de ARN, ARNt. Acest tip de ARN aduce fizic aminoacizii în ribozom. Un ribozom are trei situri de legare a ARNt adiacente, cum ar fi spații de parcare personalizate. Una este aminoacil site de legare, care este pentru molecula de ARNt atașată la următorul aminoacid din proteină, adică aminoacidul care intră. Al doilea este peptidil site de legare, unde se atașează molecula centrală de ARNt care conține lanțul peptidic în creștere. Al treilea și ultimul este un Ieșire site-ul de legare, unde sunt utilizate, moleculele de ARNt acum goale sunt descărcate din ribozom.

Odată ce aminoacizii sunt polimerizați și s-a format o coloană vertebrală proteică, ribozomul eliberează proteina, care este apoi transportată în procariote către citoplasmă și în eucariote către corpurile Golgi. Proteinele sunt apoi complet procesate și eliberate, fie în interiorul, fie în afara celulei, deoarece toți ribozomii produc proteine ​​atât pentru utilizare locală, cât și pentru îndepărtare. Ribozomii sunt foarte eficienți; unul singur dintr-o celulă eucariotă poate adăuga doi aminoacizi la un lanț proteic în creștere în fiecare secundă. La procariote, ribozomii funcționează într-un ritm aproape frenetic, adăugând 20 de aminoacizi la o polipeptidă în fiecare secundă.

O notă de subsol de evoluție: În eucariote, ribozomii, pe lângă faptul că sunt localizați în punctele menționate mai sus, pot fi găsiți și în mitocondriile la animale și în cloroplastele plantelor. Acești ribozomi sunt foarte diferiți ca mărime și compoziție față de ceilalți ribozomi găsiți în aceste celule și ascultă ribozomii procarioti ai celulelor bacteriene și algei albastru-verzi. Aceasta este considerată o dovadă destul de puternică că mitocondriile și cloroplastele au evoluat din procariotele ancestrale.