Google+ Ριβοσώματα: Οι δραστήριες μικροσκοπικές μηχανές παραγωγής πρωτεϊνών : Biology4u.gr

Ριβοσώματα: Οι δραστήριες μικροσκοπικές μηχανές παραγωγής πρωτεϊνών

Έχει καταχωριστεί στις κατηγορίες: ΑΦΙΕΡΩΜΑΤΑ από στις 12 Αυγούστου 2014

 Ό,τι είμαστε, ό,τι φαινόμαστε και ό,τι μπορούμε να κάνουμε οφείλεται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο στις πρωτεΐνες. Τις μεγαλομοριακές, δηλαδή  ουσίες που παράγονται riboinitialfinalκατ’εντολήν του DNA  και αποτελούν τα εργαλεία μέσω των οποίων καθορίζει τις κυτταρικές δομές και υπαγορεύει τις κυτταρικές λειτουργίες.  Αν έφτανε όμως μόνο το γενετικό υλικό για να παραχθούν οι πρωτεΐνες τότε οι ιοί, οι μυστηριώδεις υπάρξεις που βρίσκονται στο αβέβαιο όριο της άβιας με την έμβια ύλη, δεν θα μας ταλαιπωρούσαν, διότι δεν θα χρειάζονταν να μπουν στα κύτταρά μας προκειμένου να παράγουν τις πρωτεΐνες τους. Αυτό λοιπόν που λείπει από τους ιούς, αλλά υπάρχει στα κύτταρα (όπως και στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες), είναι οι δραστήριες μηχανές παραγωγής πρωτεϊνών, που ονομάζονται ριβοσώματα. Χωρίς αυτά τα μικροσκοπικά σωμάτια, η «παρτιτούρα» του γενετικού υλικού, δεν θα μπορούσε να εκτελεστεί, και δεν θα παράγονταν οι πρωτεΐνες, τα μακρομόρια που βρίσκονται πίσω, από το σύνολο, σχεδόν των βιολογικών δομών και των λειτουργιών που απορρέουν από αυτές.

Η ταυτότητα των ριβοσωμάτων

Με διάμετρο της τάξης των 25 nm δεν είναι παράξενο πως τα ριβοσώματα είναι ορατά μόνο με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και ότι σε ένα δραστήρια αναπτυσσόμενο κύτταρό μας μπορούν να φθάνουν τα 10 εκατομμύρια, ενώ σε ένα μόνο βακτήριο E. coli υπάρχουν 20.000, αποτελώντας το 25% του ξηρού βάρους του!

Διάσπαρτα στο κυτταρόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων, «αγκυροβολημένα» στις μεμβράνες του Αδρού Ενδοπλασματικού Δικτύου τους, στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, στο κυτταρόπλασμα των προκαρυωτικών οργανισμών (βακτηρίων και αρχαίων), τα ριβοσώματα εργάζονται με ένα φρενήρη ρυθμό, ενσωματώνοντας, κατ’εντολήν του DNA, ως και 200 αμινοξέα ανά λεπτό, σε ένα υπό κατασκευή πολυπεπτίδιο. 

Και είναι χαρακτηριστικό πώς αυτές οι δραστήριες μηχανές σύνθεσης πρωτεϊνών, που υπάρχουν στα κύτταρα όλων των μορφών ζωής, εξαιρουμένων των ιών, αν θεωρηθούν τέτοιες, αποτελούν περισσότερο συμπλέγματα μακρομορίων (RNA και πρωτεϊνών), παρά «κανονικά» κυτταρικά οργανίδια, καθώς δεν περιβάλλονται από μεμβράνη. 

Πώς είναι κατασκευασμένα;

ribsubunitsΤα ριβοσώματα αποτελούν τον «πάγκο εργασίας» στον οποίο, ο  εκπρόσωπος του DNA στο κυτταρόπλασμα (το mRNA), τα αμινοξέα, καθώς και το μόρια RNA που τα μεταφέρουν (tRNA) αλληλεπιδρούν με ακρίβεια μεταξύ τους, ώστε να παραχθεί ένα πολυπεπτίδιο. Αυτοί λοιπόν οι σπουδαίοι για την σύνθεση των πρωτεϊνών, πάγκοι εργασίας είναι συναρμολογούμενοι, με την έννοια ότι αποτελούνται από δύο επιμέρους τμήματα (μοριακές υπομονάδες) που συνδέονται μεταξύ τους, όποτε πρέπει να συντεθεί ένα πολυπεπτίδιο και αποσυνδέονται, μετά το πέρας της σύνθεσής του. Και οι δύο υπομονάδες αποτελούνται από rRNA και πρωτεΐνες, όμως το μέγεθός τους είναι ανόμοιο.

Η μεγαλύτερη από αυτές (μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα) είναι διπλάσια περίπου από τη μικρή (μικρή ριβοσωμική υπομονάδα) και ο βασικός ρόλος της κατά τη διαδικασία της σύνθεσης των πολυπεπτιδίων είναι καταλυτικός, με την έννοια ότι το rRNA της αναμιγνύεται, ως ένζυμο (ριβόζυμο) στη δημιουργία του πεπτιδικού δεσμού μεταξύ των αμινοξέων που θα αποτελέσουν το πολυπεπτίδιο. Η μικρή ριβοσωμική υπομονάδα λειτουργεί ως αποκωδικοποιητής, καθώς μεταφράζει την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του mRNA σε αλληλουχία αμινοξέων στο πολυπεπτίδιο. Τα ριβοσώματα των ευκαρυωτικών κυττάρων αποτελούνται κατά τα 2/3 τους από rRNA, και κατά το 1/3 τους από περισσότερες από 50 διαφορετικές πρωτεΐνες, ενώ γενικώς είναι μεγαλύτερα από τα (ισομεγέθη μεταξύ τους) ριβοσώματα των προκαρυωτικών οργανισμών, των χλωροπλαστών και transcript lationτων μιτοχονδρίων.

Πώς φέρουν σε πέρας τη λειτουργία τους;

Όπως για την εκτέλεση οποιουδήποτε έργου, χρειάζονται πηγές πρώτων υλών, μεταφορά πρώτων υλών και φυσικά ένα σχέδιο παραγωγής, έτσι και τα ριβοσώματα για τη διεξαγωγή της σύνθεσης των πολυπεπτιδίων, χρειάζονται την πρώτη ύλη (τα αμινοξέα), ειδικά μόρια μεταφοράς της πρώτης ύλης σε αυτά (τα μόρια tRNA) και ένα μόριο (το mRNA), που θα τους παράσχει τις αναγκαίες πληροφορίες ώστε να εκτελέσουν το έργο τους με ακρίβεια. Ταυτόχρονα η κατασκευή τους είναι κατάλληλη, ώστε να επιτρέπει την αλληλεπίδραση του mRNA, των tRNA και των αμινοξέων, προκειμένου να φέρουν σε πέρας τη σύνθεση των πολυπεπτιδίων.

Πληροφορίες:

Η πληροφορία που υπαγορεύει στα ριβοσώματα την αλληλουχία των αμινοξέων είναι καταγεγραμμένη στο DNA με τη μορφή της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων του, τα οποία ανά τριάδες (κωδικόνια), καθορίζουν ποιο αμινοξύ θα τοποθετηθεί κατά τη σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου. Καθώς όμως το μόριο αυτό, για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του κυττάρου, παραμένει απρόσιτο και προστατευμένο στον πυρήνα, χρειάζεται κάποιος διακομιστής που θα διαβιβάσει στα ριβοσώματα την πληροφορία του DNA. Αυτός ο διακομιστής είναι το μόριο του mRNA, που εκπροσωπεί το DNA στο κυτταρόπλασμα, διότι η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του αποτελεί ένα αντίγραφο της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων του DNA, γραμμένο όμως στη δική του γλώσσα, την γλώσσα του RNA, στην οποία αντί της Θυμίνης (Τ) έχει Ουρακίλη (U). To μόριο του mRNA μετά την έξοδό του από τον πυρήνα συνδέεται με τη μικρή ριβοσωμική υπομονάδα η οποία στη συνέχεια συνδέεται με τη μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα, για να αποτελέσουν το ενιαίο λειτουργικό ριβόσωμα και να αρχίσει η σύνθεση του πολυπεπτιδίου.

Τα αμινοξέα:

Οι πρωτεΐνες συντίθενται από μια κοινή για όλους τους οργανισμούς δεξαμενή 20 αμινοξέων. Άλλα από αυτά βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ως προϊόντα βιοσυνθέσεων και άλλα, είναι προϊόντα του καταβολισμού των τροφών. Για να γίνουν όμως τα αμινοξέα αυτά διαθέσιμα ως πρώτες ύλες στα ριβοσώματα, πρέπει μεταφερθούν σε αυτά. 

Τα μόρια tRNA:

Για τη σύνθεση ενός κλώνου νουκλεϊκού οξέος (DNA ή RNA), είναι αρκετή (συμπεριλαμβανομένων φυσικά των ενζύμων) η ύπαρξη ενός προτύπου μορίου (που θα υπαγορεύσει την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του θυγατρικού) και των νουκλεοτιδίων που θα χρησιμοποιηθούν ως δομικοί λίθοι του θυγατρικού μορίου. Αυτό είναι εφικτό χάρη στη συμπληρωματικότητα, που εξασφαλίζει ότι απέναντι σε κάθε νουκλεοτίδιου του προτύπου μορίου, θα αντιπαραταχθεί ένα νουκλεοτίδιο του θυγατρικού.

Όταν όμως συντίθεται ένα πολυπεπτίδιο, δεν υπάρχει κάποιος τρόπος που να εξασφαλίζει την άμεση χημικήtrna αλληλεπίδραση του μορίου που μεταφέρει τη γενετική πληροφορία (δηλ. του mRNA) με τα αμινοξέα, ώστε απέναντι από κάθε τριάδα νουκλεοτιδίων του mRNA να τοποθετείται ένα αμινοξύ.

Αυτό το πρόβλημα το κατενόησε αρκετά νωρίς ο Francis Crick, το 1956 (δηλαδή πριν την αποκρυπτογράφηση του γενετικού κώδικα και την αποσαφήνιση του μηχανισμού της μετάφρασης) όταν διέβλεψε ότι θα έπρεπε να υπάρχει κάποιο μόριο που μεσολαβεί μεταξύ των κωδικονίων και των αμινοξέων, έχοντας τη δυνατότητα να συνδέεται και με τα δύο τους.

Αυτό λοιπόν το μόριο είναι το μόριο του tRNA. To μόριο του tRNA αν και έχει μικρό μέγεθος (αποτελείται από 75 ως 95 νουκλεοτίδια) εκδηλώνει πολύ μεγάλη εξειδίκευση, διότι μπορεί να αλληλεπιδρά:

  1. Με τα ριβοσώματα ώστε να το αναγνωρίζουν.
  2. Με τα κωδικόνια ώστε να συνδέονται μαζί του και
  3. Με τα ειδικά ένζυμα (τις αμινοακυλο tRNA συνθετάσες) που καταλύουν την σύνδεση κάθε  μορίου tRNA με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.epa
  •  H αναγνώριση και η σύνδεση των μορίων tRNA με τα ριβοσώματα γίνεται διότι τα τελευταία διαθέτουν 3 θέσεις σύνδεσης με τα μόρια tRNA οι οποίες καταλαμβάνουν τον χώρο ανάμεσα στη μικρή και τη μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα. (Οι θέσεις αυτές είναι οι: η Α στην οποία συνδέεται το μόριο tRNA που μεταφέρει ένα αμινοξύ, η P στην οποία συνδέεται το μόριο tRNA στο οποίο «φορτώνεται» το πολυπεπτίδιο καθ’ον χρόνο συντίθεται και η Ε, που είναι η θέση εξόδου των tRNA από το ριβόσωμα).
  • Η σύνδεση των μορίων tRNA (μέσω των αντικωδικωνίων τους), με τα κωδικόνια του mRNA και ταυτόχρονα με τα μόρια των αμινοξέων που μεταφέρει το καθένα, διασφαλίζει ότι η αλληλουχία των κωδικωνίων του mRNA θα υπαγορεύσει με ακρίβεια την αλληλουχία των αμινοξέων του πολυπεπτιδίου.


tmrna

Η ιστορία της ανακάλυψης των ριβοσωμάτων

Πριν την ανακάλυψη της διαφορικής φυγοκέντρησης και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου δεν ήταν δυνατή η μελέτη των υποκυτταρικών σωματίων, όπως τα ριβοσώματα. Ο επιστήμονας στον οποίο πιστώθηκε η ανακάλυψη των ριβοσωμάτων ήταν ο Ρουμανικής καταγωγής και πολιτογραφημένος Αμερικανός βιολόγος George Emil Palade. Ο Palade κατά τη διάρκεια της συνεργασίας του, στα μέσα της δεκαετίας του 1940,  με τον εξέχοντα Βέλγο βιολόγο Albert Claude  στο Ινστιτούτο Ροκφέλερ, μυήθηκε στη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, και πειραματίστηκε, επεκτείνοντας τις απεικονιστικές δυνατότητες της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Ο Palade εργαζόμενος με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, αλλά και με τις βελτιωμένες τεχνικές υπερφυγοκέντρησης που επινόησε, αρχικά, κατόρθωσε να βρει και να απομονώσει τα ριβοσώματα (τότε δεν είχαν πάρει ακόμη την ονομασία τους) που βρίσκονται ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα, και να συνεισφέρει ένα μεγάλο μέρος των γνώσεων που έχουμε για τη δομή τους. και τη λειτουργία τους.

Αργότερα (το 1955) συνεργαζόμενος με τον Philip Siekevitz ανεγνώρισε στο Αδρό Ενδοπλασματικό δίκτυο τα ριβοσώματα (που ακόμη δεν αποκαλούνταν έτσι), προσδιόρισε τη χημική σύστασή τους, ως ριβονουκλεοπρωτεΐνες, διέκρινε τη μεγάλη και τη μικρή ριβοσωμική υπομονάδα και πρότεινε (μαζί με άλλους) ότι αποτελούν τον τόπο στον οποίο διεξάγεται η πρωτεϊνοσύνθεση.  Για την έρευνά του στη δομή και τη λειτουργία των ριβοσωμάτων, αλλά και των μιτοχονδρίων και του Ενδοπλασματικού Δικτύου τιμήθηκε το 1974, μαζί με τους de Duve  και Albert Claude, με το βραβείο Nobel. 

Τα ριβοσώματα έλαβαν την ονομασία τους  σε επιστημονικό συνέδριο το 1958 από τον Richard B. Roberts .

Για τη σύνταξη του άρθρου, αντλήθηκαν πληροφορίες από τις ακόλουθες πηγές:

  • http://bscb.org/learning-resources/softcell-e-learning/ribosome/
  • http://www.rockefeller.edu/about/awards/lasker/gpalade
  • http://www.jlr.org/content/25/12/1295.full.pdf
  • http://www.plantcell.org/content/11/4/615.full
  • Campbell Biology (9th Edition)
  • http://blogs.sciencemag.org/origins/2009/02/deconstructing-the-ribosome.html
  • http://www.brighthub.com/science/genetics/articles/50313.aspx
  • http://www.nature.com/scitable/topicpage/chemical-structure-of-rna-348
  • http://discovery.yukozimo.com/who-discovered-ribosomes/

Ετικέτες: ,

Ο σχολιασμός έχει κλείσει