ไรโบโซม: ความหมาย หน้าที่ และโครงสร้าง (ยูคาริโอตและโปรคาริโอต)

ผู้ค้าปลีกรายใหญ่ในปัจจุบันมี "ศูนย์ปฏิบัติตาม" เพื่อจัดการกับคำสั่งซื้อออนไลน์จำนวนมากที่พวกเขาได้รับจากทั่วโลก ในโครงสร้างที่เหมือนคลังสินค้าเหล่านี้ ผลิตภัณฑ์แต่ละรายการจะถูกติดตาม บรรจุ และจัดส่งไปยังจุดหมายปลายทางนับล้านอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด โครงสร้างเล็กๆ ที่เรียกว่าไรโบโซมมีผลกับศูนย์เติมเต็มของโลกเซลล์ โดยได้รับคำสั่งซื้อผลิตภัณฑ์โปรตีนจำนวนนับไม่ถ้วนจาก กรดไรโบนิวคลีอิก (mRNA) และประกอบผลิตภัณฑ์เหล่านั้นอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพและไปยังที่ที่ต้องการ

โดยทั่วไปแล้วไรโบโซมถือเป็นออร์แกเนลล์ แม้ว่าบางครั้งนักชีววิทยาระดับโมเลกุลจะชี้ให้เห็นว่าพวกมันถูกพบในโปรคาริโอต (ส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นแบคทีเรีย) รวมทั้งยูคาริโอต และไม่มีเมมเบรนแยกจากภายในเซลล์ ลักษณะ 2 ประการคือ ตัดสิทธิ์ ไม่ว่าในกรณีใด ทั้งเซลล์โปรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอตมีไรโบโซม ซึ่งมีโครงสร้างและหน้าที่ บทเรียนที่น่าสนใจยิ่งขึ้นในด้านชีวเคมี เนื่องจากมีแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการมีอยู่และพฤติกรรมของไรโบโซมจำนวนเท่าใด ขีดเส้นใต้

ไรโบโซมประกอบด้วยโปรตีนประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์และประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ (rRNA)

RNA เป็นหนึ่งในสองประเภทของกรดนิวคลีอิกที่พบในโลกของสิ่งมีชีวิต อีกประเภทหนึ่งคือกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือดีเอ็นเอ DNA เป็นที่เลื่องลือในทั้งสองสิ่งนี้ ซึ่งมักจะถูกกล่าวถึงไม่เพียงแต่ในบทความวิทยาศาสตร์กระแสหลักแต่ยังรวมถึงในเรื่องราวอาชญากรรมด้วย แต่ที่จริงแล้ว RNA เป็นโมเลกุลที่หลากหลายกว่า

กรดนิวคลีอิกประกอบด้วยโมโนเมอร์หรือหน่วยที่แตกต่างกันซึ่งทำหน้าที่เป็นโมเลกุลแบบสแตนด์อโลน ไกลโคเจนเป็นพอลิเมอร์ของโมโนเมอร์กลูโคส โปรตีนเป็นโพลีเมอร์ของโมโนเมอร์กรดอะมิโนและนิวคลีโอไทด์เป็นโมโนเมอร์ที่สร้าง DNA และ RNA ในทางกลับกันนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยส่วนน้ำตาลห้าวง ส่วนฟอสเฟต และส่วนฐานไนโตรเจน ใน DNA น้ำตาลคือดีออกซีไรโบส ในขณะที่อาร์เอ็นเอคือไรโบส สิ่งเหล่านี้แตกต่างกันเฉพาะในอาร์เอ็นเอที่มีกลุ่ม -OH (ไฮดรอกซิล) ที่ DNA มี -H (โปรตอน) แต่ความหมายสำหรับการทำงานที่น่าประทับใจของอาร์เอ็นเอนั้นมีความสำคัญมาก นอกจากนี้ ในขณะที่เบสไนโตรเจนทั้งใน DNA nucleotide และ RNA nucleotide เป็นหนึ่งในสี่ประเภทที่เป็นไปได้ ชนิดใน DNA ได้แก่ adenine, cytosine, guanine และ thymine (A, C, G, T) ในขณะที่ RNA นั้น uracil จะถูกแทนที่ด้วย thymine (A, C, G, ยู). ในที่สุด DNA นั้นมักจะเป็นสายคู่ในขณะที่ RNA นั้นมีสายเดี่ยว ความแตกต่างจาก RNA นี้อาจมีส่วนสนับสนุนความเก่งกาจของ RNA มากที่สุด

RNA สามประเภทหลักคือ mRNA และ rRNA ดังกล่าวพร้อมกับ transfer RNA (tRNA) ในขณะที่เกือบครึ่งหนึ่งของมวลของไรโบโซมคือ rRNA แต่ mRNA และ tRNA ต่างก็มีความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดและขาดไม่ได้กับทั้งไรโบโซมและซึ่งกันและกัน

ในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอต ไรโบโซมส่วนใหญ่จะติดอยู่กับเอนโดพลาสมิกเรติคิวลัม ซึ่งเป็นโครงข่ายของโครงสร้างที่เป็นพังผืดซึ่งเปรียบได้กับระบบทางหลวงหรือทางรถไฟสำหรับเซลล์ ไรโบโซมยูคาริโอตบางชนิดและไรโบโซมโปรคาริโอตทั้งหมดนั้นพบได้ฟรีในไซโตพลาสซึมของเซลล์ เซลล์แต่ละเซลล์อาจมีไรโบโซมตั้งแต่หลายพันถึงล้านตัว อย่างที่คุณคาดไว้ เซลล์ที่ผลิตผลิตภัณฑ์โปรตีนจำนวนมาก (เช่น เซลล์ตับอ่อน) มีไรโบโซมความหนาแน่นสูงกว่า

ในโปรคาริโอต ไรโบโซมประกอบด้วยโมเลกุล rRNA แยกกันสามโมเลกุล ในขณะที่ไรโบโซมของยูคาริโอตประกอบด้วยโมเลกุล rRNA แยกกันสี่โมเลกุล ไรโบโซมประกอบด้วยหน่วยย่อยขนาดใหญ่และหน่วยย่อยขนาดเล็ก ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 โครงสร้างสามมิติที่สมบูรณ์ของหน่วยย่อยได้รับการแมป จากหลักฐานนี้ rRNA ไม่ใช่โปรตีน ทำให้ไรโบโซมมีรูปแบบและหน้าที่พื้นฐาน นักชีววิทยาสงสัยมานานแล้วว่า โปรตีนในไรโบโซมช่วยเติมเต็มช่องว่างทางโครงสร้างและเสริมหน้าที่หลักของไรโบโซม นั่นคือการสังเคราะห์โปรตีน การสังเคราะห์โปรตีนสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่มีโปรตีนเหล่านี้ แต่จะทำได้ช้ากว่ามาก

หน่วยมวลโดยพฤตินัยของไรโบโซมคือค่า Svedberg (S) ซึ่งขึ้นอยู่กับความรวดเร็วของหน่วยย่อยที่อยู่ด้านล่างของหลอดทดลองภายใต้แรงสู่ศูนย์กลางของเครื่องหมุนเหวี่ยง ไรโบโซมของเซลล์ยูคาริโอตมักจะมีค่า Svedberg ที่ 80S และประกอบด้วยหน่วยย่อย 40s และ 60s (โปรดทราบว่าหน่วย S ไม่ใช่มวลจริงอย่างชัดเจน มิฉะนั้น คณิตศาสตร์ที่นี่จะไม่สมเหตุสมผล) ในทางตรงกันข้าม เซลล์โปรคาริโอตประกอบด้วยไรโบโซมถึง 70S แบ่งออกเป็นหน่วยย่อย 30S และ 50S

ทั้งโปรตีนและกรดนิวคลีอิก แต่ละหน่วยสร้างจากหน่วยโมโนเมอร์ที่คล้ายกันแต่ไม่เหมือนกัน มีโครงสร้างหลัก ทุติยภูมิ และตติยภูมิ โครงสร้างหลักของ RNA คือการจัดลำดับของนิวคลีโอไทด์แต่ละตัว ซึ่งจะขึ้นอยู่กับฐานไนโตรเจนของพวกมัน ตัวอย่างเช่น ตัวอักษร AUCGGCAUGC อธิบายสตริงของกรดนิวคลีอิกสิบนิวคลีโอไทด์ (เรียกว่า "พอลินิวคลีโอไทด์" เมื่อสั้นขนาดนี้) กับเบสอะดีนีน ยูราซิล ไซโตซีนและกัวนีน โครงสร้างทุติยภูมิของ RNA อธิบายวิธีที่สายอักขระสันนิษฐานว่าโค้งและหักในระนาบเดียวด้วยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าระหว่างนิวคลีโอไทด์ หากคุณวางสายลูกปัดบนโต๊ะและโซ่ต่อไม่ตรง คุณจะดูที่โครงสร้างรองของลูกปัด ในที่สุด การตีบระดับตติยภูมิหมายถึงการที่โมเลกุลทั้งหมดจัดเรียงตัวเองในปริภูมิสามมิติ ต่อด้วยตัวอย่างลูกปัด คุณสามารถหยิบมันขึ้นมาจากโต๊ะแล้วบีบให้เป็นรูปร่างคล้ายลูกบอลในมือของคุณ หรือแม้แต่พับให้เป็นรูปทรงเรือ

ก่อนที่วิธีการทางห้องปฏิบัติการขั้นสูงในปัจจุบันจะมีขึ้น นักชีวเคมีสามารถคาดการณ์เกี่ยวกับ โครงสร้างทุติยภูมิของ rRNA ขึ้นอยู่กับลำดับปฐมภูมิที่รู้จักและคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของแต่ละบุคคล ฐาน ตัวอย่างเช่น A มีแนวโน้มที่จะจับคู่กับ U หรือไม่หากมีการหักเหที่เป็นประโยชน์เกิดขึ้นและนำพวกเขาเข้ามาใกล้? ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 การวิเคราะห์เชิงผลึกศาสตร์ยืนยันแนวคิดของนักวิจัยในยุคแรกๆ เกี่ยวกับรูปแบบของ rRNA ซึ่งช่วยให้กระจ่างขึ้นเกี่ยวกับหน้าที่ของอาร์เอ็นเอ ตัวอย่างเช่น การศึกษาด้านผลึกศาสตร์แสดงให้เห็นว่า rRNA ทั้งสองมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โปรตีนและสนับสนุนโครงสร้าง เช่นเดียวกับองค์ประกอบโปรตีนของไรโบโซม rRNA ประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ของแพลตฟอร์มโมเลกุลที่เกิดการแปลและมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา ซึ่งหมายความว่า rRNA มีส่วนร่วมโดยตรงในการสังเคราะห์โปรตีน สิ่งนี้นำไปสู่นักวิทยาศาสตร์บางคนที่ใช้คำว่า "ไรโบโซม" (เช่น "เอนไซม์ไรโบโซม") แทน "ไรโบโซม" เพื่ออธิบายโครงสร้าง

อี โคไล แบคทีเรียแสดงตัวอย่างว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับโครงสร้างไรโบโซมของโปรคาริโอตได้มากน้อยเพียงใด หน่วยย่อยขนาดใหญ่หรือ LSU ของ อี โคไล ไรโบโซมประกอบด้วยหน่วย rRNA 5S และ 23S ที่แตกต่างกันและโปรตีน 33 ชนิด เรียกว่า r-proteins สำหรับ "ribsomal" หน่วยย่อยขนาดเล็กหรือ SSU ประกอบด้วยส่วน 16S rRNA หนึ่งส่วนและโปรตีน r 21 ตัว พูดโดยคร่าว SSU นั้นมีขนาดประมาณสองในสามของ LSU นอกจากนี้ rRNA ของ LSU ยังประกอบด้วยเจ็ดโดเมน ในขณะที่ rRNA ของ SSU สามารถแบ่งออกเป็นสี่โดเมน

rRNA ของไรโบโซมยูคาริโอตมีนิวคลีโอไทด์ประมาณ 1,000 มากกว่า rRNA ของไรโบโซมโปรคาริโอต - ประมาณ 5,500 เทียบกับ 4,500. ในขณะที่ อี โคไล ไรโบโซมมี 54 r-proteins ระหว่าง LSU (33) และ SSU (21) ไรโบโซมยูคาริโอตมี 80 r-proteins ยูคาริโอตไรโบโซมยังรวมถึงส่วนการขยายตัวของ rRNA ซึ่งมีบทบาททั้งโครงสร้างและการสังเคราะห์โปรตีน

งานของไรโบโซมคือการสร้างโปรตีนทั้งช่วงที่สิ่งมีชีวิตต้องการ ตั้งแต่เอนไซม์ ฮอร์โมน ไปจนถึงส่วนต่างๆ ของเซลล์และกล้ามเนื้อ กระบวนการนี้เรียกว่าการแปล และเป็นส่วนที่สามของหลักความเชื่อของอณูชีววิทยา: DNA เป็น mRNA (การถอดความ) เป็นโปรตีน (การแปล)

สาเหตุที่เรียกสิ่งนี้ว่าการแปลคือ ไรโบโซมที่ปล่อยไว้กับอุปกรณ์ของพวกมันเอง ไม่มีวิธีอิสระที่จะ "รู้" ว่าต้องสร้างโปรตีนอะไรและเท่าไหร่ ทั้งๆ ที่มีวัตถุดิบ อุปกรณ์ และกำลังคนครบ จำเป็น กลับไปที่การเปรียบเทียบ "ศูนย์ปฏิบัติตาม" ลองนึกภาพคนงานสองสามพันคนกำลังเติมทางเดินและสถานีของหนึ่งในจำนวนมหาศาลเหล่านี้ สถานที่ต่างๆ มองไปรอบๆ ของเล่น หนังสือ และสินค้ากีฬา แต่ไม่ได้รับทิศทางจากอินเทอร์เน็ต (หรือจากที่อื่น) เกี่ยวกับอะไร ทำ. จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น หรืออย่างน้อยก็ไม่มีอะไรเป็นผลดีต่อธุรกิจ

สิ่งที่แปลคือคำแนะนำที่เข้ารหัสใน mRNA ซึ่งจะได้รับรหัสจาก DNA ในนิวเคลียสของเซลล์ (ถ้าสิ่งมีชีวิตเป็นยูคาริโอต โปรคาริโอตขาดนิวเคลียส) ในกระบวนการถอดรหัส mRNA ถูกสร้างขึ้นจากแม่แบบ DNA โดยเพิ่มนิวคลีโอไทด์ลงใน to ห่วงโซ่ mRNA ที่กำลังเติบโตซึ่งสอดคล้องกับนิวคลีโอไทด์ของสาย DNA แม่แบบที่ระดับ การจับคู่ฐาน A ใน DNA สร้าง U ใน RNA, C สร้าง G, G สร้าง C และ T สร้าง A เนื่องจากนิวคลีโอไทด์เหล่านี้ปรากฏในลำดับเชิงเส้น จึงสามารถรวมเข้าเป็นกลุ่มที่มีจำนวนสอง สาม สิบ หรือตัวเลขใดๆ ก็ได้ เมื่อมันเกิดขึ้น กลุ่มของนิวคลีโอไทด์สามตัวบนโมเลกุล mRNA เรียกว่า codon หรือ "triplet codon" เพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ แต่ละ codon มีคำแนะนำสำหรับกรดอะมิโน 20 ชนิดซึ่งคุณจะจำได้ว่าเป็นส่วนประกอบสำคัญของโปรตีน ตัวอย่างเช่น AUG, CCG และ CGA เป็น codon ทั้งหมดและมีคำแนะนำในการสร้างกรดอะมิโนเฉพาะ มีโคดอนที่แตกต่างกัน 64 โคดอน (4 เบสยกกำลัง 3 เท่ากับ 64) แต่มีกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ กรดอะมิโนส่วนใหญ่จึงถูกเข้ารหัสโดย triplet มากกว่าหนึ่งตัว และกรดอะมิโนสองสามตัวถูกกำหนดโดย triplet codon ที่แตกต่างกันหกตัว

การสังเคราะห์โปรตีนต้องการ RNA อีกประเภทหนึ่งคือ tRNA RNA ประเภทนี้จะนำกรดอะมิโนไปยังไรโบโซมทางกายภาพ ไรโบโซมมีไซต์จับ tRNA อยู่ติดกันสามไซต์ เช่น พื้นที่จอดรถส่วนบุคคล หนึ่งคือ อะมิโนอะซิล ตำแหน่งที่มีผลผูกพัน ซึ่งมีไว้สำหรับโมเลกุล tRNA ที่ติดอยู่กับกรดอะมิโนตัวต่อไปในโปรตีน นั่นคือกรดอะมิโนที่เข้ามา ประการที่สองคือ is เปปทิดิล ไซต์ที่มีผลผูกพัน โดยที่โมเลกุล tRNA ส่วนกลางที่มีสายโซ่เปปไทด์ที่กำลังเติบโตติดอยู่ ที่สามและสุดท้ายคือ an ทางออก ตำแหน่งการจับที่ใช้ โมเลกุล tRNA ที่ว่างเปล่าตอนนี้ถูกปลดปล่อยออกจากไรโบโซม

เมื่อกรดอะมิโนถูกโพลิเมอไรเซชันและกระดูกสันหลังของโปรตีนก่อตัวขึ้น ไรโบโซมจะปล่อยโปรตีน ซึ่งจากนั้นก็ขนส่งในโปรคาริโอตไปยังไซโทพลาสซึม จากนั้นโปรตีนจะถูกประมวลผลและปล่อยออกมาอย่างสมบูรณ์ไม่ว่าจะภายในหรือภายนอกเซลล์ เนื่องจากไรโบโซมทั้งหมดผลิตโปรตีนสำหรับใช้ในท้องถิ่นและทางไกล ไรโบโซมมีประสิทธิภาพมาก ตัวเดียวในเซลล์ยูคาริโอตสามารถเพิ่มกรดอะมิโนสองชนิดลงในสายโปรตีนที่กำลังเติบโตทุกวินาที ในโปรคาริโอต ไรโบโซมทำงานอย่างรวดเร็วจนแทบคลั่ง โดยเพิ่มกรดอะมิโน 20 ชนิดลงในโพลีเปปไทด์ทุกวินาที

เชิงอรรถเชิงวิวัฒนาการ: ในยูคาริโอต ไรโบโซมนอกจากจะอยู่ในจุดดังกล่าวแล้ว ยังสามารถพบได้ในไมโตคอนเดรียในสัตว์และคลอโรพลาสต์ของพืชอีกด้วย ไรโบโซมเหล่านี้มีขนาดและองค์ประกอบแตกต่างกันมากจากไรโบโซมอื่นๆ ที่พบในเซลล์เหล่านี้ และรับฟังถึงโปรคาริโอตไรโบโซมของเซลล์แบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน นี่ถือเป็นหลักฐานที่แน่ชัดว่าไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสวิวัฒนาการมาจากโปรคาริโอตของบรรพบุรุษ