معلومة

ه 2. أكبر ريبوزيم - الريبوسوم - علم الأحياء


يحدث تخليق البروتين من قالب الرنا المرسال على الريبوسوم ، وهو آلة نانوية تتكون من البروتينات و RNAs الريبوسوم (الرنا الريباسي). تقوم الوحدة الأصغر (المسماة 30S و 40S في البكتيريا وحقيقيات النوى ، على التوالي) بتنسيق الاقتران الأساسي الصحيح للكودون الثلاثي على الرنا المرسال مع محول RNA صغير آخر ، أو النقل أو الحمض الريبي النووي النقال ، الذي يجلب حمض أميني متصل تساهميًا إلى الموقع. يحدث تكوين رابطة الببتيد عندما يرتبط جزيء حمض أميني آخر tRNA بكودون مجاور على mRNA. يحتوي الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) على بنية ثالثة من أوراق البرسيم مع بعض الهياكل الثانوية المرتبطة بـ H-bonded intrastranded. النوكليوتيدات الثلاثة الأخيرة في نهاية 3 'من الحمض النووي الريبي هي CpCpA. يتم أسترة الحمض الأميني إلى الطرف 3'OH للمحطة A بواسطة إنزيم بروتين ، aminoacyl-tRNA synthetase.

يحدث تكوين رابطة الأميد التساهمية بين الحمض الأميني الثاني إلى الأول ، مكونًا ثنائي الببتيد ، في مركز ترانسفيراز الببتيدل ، الموجود على الوحدة الفرعية الريبوسومية الأكبر (50S و 60S في البكتيريا وحقيقيات النوى ، على التوالي). يتصاعد الريبوسوم إلى أسفل mRNA لذا فإن dipeptide-tRNA موجود الآن في موقع P أو Peptide ، في انتظار حمض tRNA-amino جديد في موقع A أو Amino. يوضح الشكل أدناه مخططًا للريبوسوم مع mRNA المرتبط على الوحدة الفرعية 30S و tRNAs المرتبطة تساهميًا بالحمض الأميني (أو الببتيد المتنامي) في موقع A و P.

الشكل: مواقع Ribosme بدائية النواة - P و A.

تظهر أدناه آلية محتملة (مشتقة من الهياكل البلورية ذات الركائز المقيدة ونظائر الحالة الانتقالية) لتشكيل رابطة الأميد بين الببتيد المتنامي على الحمض الريبي النووي النقال في موقع P والحمض الأميني على الحمض الريبي النووي النقال في موقع A. لا يتضمن التحفيز أيًا من بروتينات الريبوسوم (غير موضح) نظرًا لأنه لا يوجد ما هو قريب بدرجة كافية من مركز ترانسفيراز الببتيدل لتوفير الأحماض الأمينية التي يمكن أن تشارك في التحفيز العام الحمضي / الأساسي ، على سبيل المثال. ومن ثم يجب أن يعمل الرنا الريباسي كإنزيم (أي أنه ريبوزيم). في البداية ، كان يُعتقد أن الأدينوزين القريب مع pKa المضطرب يمكن ، عند درجة الحموضة الفسيولوجية ، أن يتحول إلى بروتونات / ينفصل ، وبالتالي يكون بمثابة حمض / قاعدة عامة في التفاعل. ومع ذلك ، لم يتم العثور على أي منها. الآلية الأكثر احتمالية لتحقيق الاستقرار في حالة انتقال الأكسجة في موقع هجوم الكربون المحب للكهرباء هي الماء المحدد بدقة ، والذي يتم وضعه في ثقب الأكسيان بواسطة روابط H إلى uracil 2584 على الرنا الريباسي. تتضمن آلية الانقسام طريقة خلط البروتونات المنسقة الموضحة أدناه. في هذه الآلية ، تساعد الركيزة (Peptide-tRNA) في الانقسام الخاص بها حيث أن 2'OH في وضع يسمح لها ببدء آلية مكوك البروتين. (قد تحدث آلية مماثلة لتسهيل التحلل المائي للبروتين الممدود بالكامل من الحمض الريبي النووي النقال في الموقع P). بالطبع كل هذا يتطلب وضعًا مثاليًا للركائز ، أليس هذا ما تفعله الإنزيمات بشكل أفضل؟ الآليات الرئيسية لتحفيز تكوين رابطة الببتيد بواسطة الريبوسوم (مثل الريبوزيم) هي التحفيز داخل الجزيء وتثبيت الحالة الانتقالية بواسطة جزيء الماء الموضوع بشكل مناسب.

الشكل: آلية تشكيل رابطة الببتيد بواسطة الريبوسوم

تم مؤخرًا نشر التركيب البلوري للريبوسوم حقيقي النواة (Ben-Shem et al). إنه أكبر بكثير (40٪) بكتلة حوالي 3x106 دالتون. تحتوي الوحدة الفرعية 40S على سلسلة rRNA واحدة (18) و 33 بروتينًا مرتبطًا ، بينما تحتوي الوحدة الفرعية 60S الأكبر على 3 سلاسل من الرنا الريباسي (25S و 5.8S و 5S) و 46 بروتينًا مرتبطًا. يسهل الحجم الأكبر للريبوسوم حقيقيات النوى مزيدًا من التفاعلات مع البروتينات الخلوية وتنظيمًا أكبر للأحداث الخلوية. يظهر أدناه هيكل Jmol للريبوسوم 70S البكتيري الذي يظهر تفاعلات mRNA و tRNA.

Jmol: تحديث 70 S ريبوسوم من Thermus Thermophilus يظهر تفاعلات mRNA و tRNA Jmol14 (جافا) | JSMol (HTML5) لم يتم ؛ يصلح

: الريبوسوم في العمل


[ من أجل الإجابة على سؤال لم يتم الرد عليه منذ فترة طويلة ]

هل يمكن أن يشق اثنان من ريبوزيم رأس المطرقة بعضهما البعض في وقت واحد؟

نعم ، من حيث المبدأ يمكنهم ذلك.

يشق اثنان من ريبوزيم رأس المطرقة بعضهما البعض في وقت واحد عندما يتم التعبير عن كليهما ، ولكن تجعل هذه الريبوزيمات تشق نسخة مستهدفة عند التعبير عنها بمفردها.

قد يتحقق هذا فقط عندما يكون للريبوسومات تقارب أعلى لبعضها البعض مقارنة بالهدف. كما قلت في التعليق ، قد ينجح إدخال عدد قليل من حالات عدم التطابق في تفاعل الريبوزيم المستهدف. قد تحتاج إلى ملاحظة أنه نظرًا لأن الريبوزيمين مكملان لبعضهما البعض ولكنهما يشقان نفس الهدف ، فإن التسلسلات المستهدفة ستشكل مجموعة من منطقتين متكاملتين. إذا تم الفصل بشكل جيد بما فيه الكفاية ، فقد لا تكون هناك مشكلة كبيرة. من إستراتيجية التصميم الخاصة بك ، أعتقد أن UTRs هي أفضل مكان للحفاظ على تسلسل الريبوزيم المستهدف. إذا احتفظت بكل من التسلسل المستهدف في 3'UTR (دعنا نقول) ، فقد يشكلون بنية دبوس الشعر ، والتي قد تتداخل في الاستهداف. لذا يمكنك إدخال حالات عدم التطابق التي تؤدي أيضًا إلى زعزعة استقرار دبوس الشعر المحتمل.

هل سبق أن ظهر في الأدبيات أن ريبوزيم رأس المطرقة كان قادرًا على شق الأذرع المجاورة لريبوزيم آخر؟

ليس بعد. أمثلة الشق الذاتي موجودة ولكن لا توجد أمثلة شطر متبادل.


ريبوزيمات

ريبوزيم القمر الصناعي Varkud (VS) هو جزيء RNA موجود بشكل طبيعي ، موجود في قالب الخبز Neurospora ، والذي يحفز تفاعلات الانقسام الذاتي والربط اللازمة لدورة حياة VS RNA. إنه أكبر عضو معروف في الريبوزيمات الصغيرة ذاتية الانقسام والوحيدة في هذه الفئة التي لا يُعرف هيكلها بالدقة الذرية. باستخدام نقل طاقة الرنين الفلوري أحادي الجزيء (smFRET) ، درسنا كيف تؤثر الديناميكيات العالمية للجزيء على وظيفته كمحفز 1. ومع ذلك ، للحصول على رؤى أكثر تفصيلاً حول البنية ثلاثية الأبعاد والديناميكيات والآلية التحفيزية لـ VS ribozyme ، فإن البنية البلورية عالية الدقة للأشعة السينية للجزيء الكامل أمر بالغ الأهمية. تحقيقًا لهذه الغاية ، نحاول بلورة الريبوزيم المتضاد باستخدام طريقة جديدة لتنقية الريبوزيم في حالته الأصلية دون تعريضه لظروف تغيير طبيعة. من خلال تجنب الظروف القاسية للتنقية التقليدية عن طريق تغيير طبيعة الرحلان الكهربي للهلام ، والذي يمكن أن يتسبب في إعادة انقسام الجزيء إلى هياكل خاطئة ، نأمل في عزل مجموعة متجانسة من حيث التوافق تكون أكثر ملاءمة للبلورة والدراسات الهيكلية.

أي أسئلة؟ ثم اتصل بـ Nils Walter على [email protected]
الهاتف | (734) 615-2060
فاكس | (734) 615-5524
تابعنا على تويتر:NilsWalterLab

هذا الموقع هو عضو في RNA WebRing
[ نضم الان | Ring Hub]


محتويات

يتم نسخ تسلسل الحمض النووي الذي يشفر تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين إلى سلسلة مرسال RNA. ترتبط الريبوسومات بالـ RNAs المرسال وتستخدم تسلسلها لتحديد التسلسل الصحيح للأحماض الأمينية لتوليد بروتين معين. يتم اختيار الأحماض الأمينية ونقلها إلى الريبوسوم عن طريق نقل جزيئات الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، والتي تدخل الريبوسوم وترتبط بسلسلة الحمض النووي الريبي المرسال عبر حلقة جذعية مضادة للكودون. لكل ثلاثي ترميز (كودون) في الرنا المرسال ، هناك نقل الحمض النووي الريبي الذي يطابق ويحمل الحمض الأميني الصحيح للاندماج في سلسلة بولي ببتيد متنامية. بمجرد إنتاج البروتين ، يمكن أن يطوي لإنتاج بنية وظيفية ثلاثية الأبعاد.

يتكون الريبوسوم من معقدات الحمض النووي الريبي والبروتينات ، وبالتالي فهو مركب بروتين نووي. يتكون كل ريبوسوم من مكونات صغيرة (30S) وكبيرة (50S) تسمى وحدات فرعية مرتبطة ببعضها البعض:

  1. (30S) لها وظيفة فك تشفير وهي مرتبطة أيضًا بـ mRNA
  2. (50S) له وظيفة تحفيزية بشكل أساسي وهو مرتبط أيضًا بـ tRNAs aminoacylated.

يتم تصنيع البروتينات من اللبنات الأساسية الخاصة بهم في أربع مراحل: البدء والاستطالة والإنهاء وإعادة التدوير. يحتوي كودون البدء في جميع جزيئات الرنا المرسال على التسلسل AUG. كود الإيقاف هو واحد من UAA أو UAG أو UGA نظرًا لعدم وجود جزيئات tRNA التي تتعرف على هذه الكودونات ، يدرك الريبوسوم أن الترجمة كاملة. [5] عندما ينتهي الريبوسوم من قراءة جزيء الرنا المرسال ، تنفصل الوحدتان الفرعيتان وعادة ما تنفصل ولكن يمكن إعادة استخدامها. الريبوسومات هي ريبوزيمات ، لأن نشاط ترانسفيراز الببتيدل التحفيزي الذي يربط الأحماض الأمينية معًا يتم بواسطة الحمض النووي الريبوزي. غالبًا ما ترتبط الريبوسومات بالأغشية داخل الخلايا التي تشكل الشبكة الإندوبلازمية الخشنة.

تشبه الريبوسومات من البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى في نظام المجالات الثلاثة بعضها البعض بدرجة ملحوظة ، وهي دليل على أصل مشترك. وهي تختلف في حجمها وتسلسلها وبنيتها ونسبة البروتين إلى الحمض النووي الريبي. تسمح الاختلافات في التركيب لبعض المضادات الحيوية بقتل البكتيريا عن طريق تثبيط ريبوسوماتها ، مع ترك الريبوسومات البشرية غير متأثرة. في جميع الأنواع ، يمكن أن يتحرك أكثر من ريبوسوم واحد على طول سلسلة mRNA واحدة في وقت واحد (مثل polysome) ، كل منها "يقرأ" تسلسلًا محددًا وينتج جزيء بروتين مطابق.

تشبه ريبوسومات الميتوكوندريا في الخلايا حقيقية النواة وظيفيًا العديد من السمات الموجودة في البكتيريا ، مما يعكس الأصل التطوري المحتمل للميتوكوندريا. [6] [7]

لوحظ الريبوسومات لأول مرة في منتصف الخمسينيات من قبل عالم الأحياء الخلوي الروماني الأمريكي جورج إميل باليد ، باستخدام مجهر إلكتروني ، كجسيمات أو حبيبات كثيفة. [8] مصطلح "الريبوسوم" اقترحه العالم ريتشارد ب. روبرتس في نهاية الخمسينيات:

خلال الندوة ظهرت صعوبة دلالية. بالنسبة لبعض المشاركين ، فإن "الميكروسومات" تعني جزيئات البروتين النووي الريبي لجزء ميكروسوم الملوث ببروتينات ومواد دهنية أخرى للآخرين ، تتكون الميكروسومات من بروتين ودهون ملوثة بالجزيئات. لا تبدو عبارة "الجسيمات الدقيقة" مناسبة ، و "جسيمات البروتين النووي للجزء الميكروسومي" محرجة للغاية. خلال الاجتماع ، تم اقتراح كلمة "ريبوسوم" ، والتي تحمل اسمًا مرضيًا للغاية وصوتًا لطيفًا. يمكن التخلص من الارتباك الحالي إذا تم اعتماد "الريبوسوم" لتعيين جسيمات بروتين نووي في أحجام تتراوح من 35 إلى 100S.

حصل كل من ألبرت كلود وكريستيان دي دوف وجورج إميل باليد على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عام 1974 لاكتشاف الريبوسوم. [10] مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2009 إلى فينكاترامان راماكريشنان وتوماس أ. ستيتز وأدا إي يوناث لتحديد الهيكل التفصيلي وآلية الريبوسوم. [11]

الريبوسوم آلة خلوية معقدة. يتكون بشكل كبير من RNA متخصص معروف باسم RNA الريبوسومي (rRNA) بالإضافة إلى عشرات البروتينات المتميزة (يختلف العدد الدقيق اختلافًا طفيفًا بين الأنواع). يتم ترتيب البروتينات الريبوزومية والـ rRNA في قطعتين ريبوسوميتين متميزتين بأحجام مختلفة ، والمعروفين عمومًا بالوحدة الفرعية الكبيرة والصغيرة للريبوسوم. تتكون الريبوسومات من وحدتين فرعيتين تتلاءمان معًا (الشكل 2) وتعمل كواحدة لترجمة mRNA إلى سلسلة بولي ببتيد أثناء تخليق البروتين (الشكل 1). نظرًا لأنها تتكون من وحدتين فرعيتين بحجم غير متساوٍ ، فهي أطول قليلاً في المحور منها في القطر.

تحرير الريبوسومات البكتيرية

يبلغ قطر الريبوسومات البكتيرية حوالي 20 نانومتر (200 Å) وتتكون من 65٪ من الرنا الريباسي و 35٪ من البروتينات الريبوسومية. [12] الريبوسومات حقيقية النواة يتراوح قطرها بين 25 و 30 نانومتر (250-300 Å) مع نسبة الرنا الريباسي إلى البروتين قريبة من 1. [13] وقد أظهر عمل البلورات [14] أنه لا توجد بروتينات ريبوسومية قريبة إلى موقع التفاعل لتخليق عديد الببتيد. يشير هذا إلى أن مكونات بروتين الريبوسومات لا تشارك بشكل مباشر في تحفيز تكوين رابطة الببتيد ، ولكن بدلاً من ذلك ، تعمل هذه البروتينات بمثابة سقالة قد تعزز قدرة الرنا الريباسي على تخليق البروتين (انظر: الريبوزيم).

الوحدات الفرعية الريبوسومية للبكتيريا وحقيقيات النوى متشابهة تمامًا. [16]

وحدة القياس المستخدمة لوصف الوحدات الفرعية الريبوسومية وشظايا الرنا الريباسي هي وحدة Svedberg ، وهي مقياس لمعدل الترسيب في الطرد المركزي بدلاً من الحجم. هذا يفسر سبب عدم إضافة أسماء الأجزاء: على سبيل المثال ، تتكون الريبوسومات البكتيرية 70S من وحدات فرعية 50S و 30S.

تحتوي البكتيريا على ريبوسوم 70S ، كل منها يتكون من وحدة فرعية صغيرة (30S) وكبيرة (50S). بكتريا قولونية، على سبيل المثال ، يحتوي على وحدة فرعية من 16S RNA (تتكون من 1540 نيوكليوتيد) مرتبطة بـ 21 بروتينًا. تتكون الوحدة الفرعية الكبيرة من وحدة فرعية 5S RNA (120 نيوكليوتيد) ، ووحدة فرعية 23S RNA (2900 نيوكليوتيد) و 31 بروتينًا. [16]

ريبوسوم بكتريا قولونية (بكتيريا) [17]: 962
الريبوسوم الوحدة الفرعية الرنا الريباسي r- البروتينات
70 ثانية 50 ثانية 23S (2904 NT) 31
5S (120 نانومتر)
30 ثانية 16 ثانية (1542 نانومتر) 21

تسمية التقارب لمواقع ربط الحمض النووي الريبي على امتداد بكتريا قولونية سمح الريبوسوم بتحديد بروتينات موقع A و P على الأرجح المرتبطة بالبروتينات المسمى نشاط peptidyltransferase وهي L27 ، L14 ، L15 ، L16 ، L2 على الأقل يقع L27 في موقع المتبرع ، كما هو موضح بواسطة E.Collatz و A.P. Czernilofsky. [18] [19] أظهر بحث إضافي أن البروتينات S1 و S21 ، بالاشتراك مع 3′-end of 16S ribosomal RNA ، تشارك في بدء الترجمة. [20]

تحرير الريبوسومات البدائية

تشترك الريبوسومات الأثرية في نفس الأبعاد العامة للبكتيريا ، كونها ريبوسوم 70S مكونًا من وحدة فرعية كبيرة 50 ثانية ، ووحدة فرعية صغيرة 30 ثانية ، وتحتوي على ثلاث سلاسل من الرنا الريباسي. ومع ذلك ، على مستوى التسلسل ، فهي أقرب بكثير إلى حقيقيات النوى منها إلى البكتيرية. كل عتائق بروتين ريبوزومية إضافية تمت مقارنتها بالبكتيريا لها نظير حقيقي النواة ، بينما لا تنطبق مثل هذه العلاقة بين العتائق والبكتيريا. [21]

تحرير الريبوسومات حقيقية النواة

تحتوي حقيقيات النوى على ريبوسومات 80S موجودة في العصارة الخلوية ، ويتكون كل منها من وحدة فرعية صغيرة (40S) وكبيرة (60S). تحتوي الوحدة الفرعية 40S على 18S RNA (1900 نيوكليوتيد) و 33 بروتينًا. [22] [23] تتكون الوحدة الفرعية الكبيرة من 5S RNA (120 نيوكليوتيد) و 28S RNA (4700 نيوكليوتيد) و 5.8S RNA (160 نيوكليوتيد) و 46 بروتينًا. [16] [22] [24]

ريبوسومات خلوية حقيقية النواة (R. norvegicus) [17] : 65
الريبوسوم الوحدة الفرعية الرنا الريباسي r- البروتينات
80 ثانية 60 ثانية 28 ق (4718 نانومتر) 49
5.8 ثانية (160 نانومتر)
5S (120 نانومتر)
40 ثانية 18 ق (1874 م) 33

خلال عام 1977 ، نشر Czernilofsky بحثًا يستخدم وضع العلامات على التقارب لتحديد مواقع ربط الحمض النووي الريبي (tRNA) على ريبوسومات كبد الفئران. تم التورط في العديد من البروتينات ، بما في ذلك L32 / 33 و L36 و L21 و L23 و L28 / 29 و L13 في مركز ترانسفيراز الببتيدل أو بالقرب منه. [25]

Plastoribosomes و mitoribosomes تحرير

في حقيقيات النوى ، توجد الريبوسومات في الميتوكوندريا (تسمى أحيانًا ميتوريبوسومات) وفي البلاستيدات مثل البلاستيدات الخضراء (وتسمى أيضًا بلاستوريبوسومات). كما أنها تتكون من وحدات فرعية كبيرة وصغيرة مرتبطة مع البروتينات في جسيم 70S. [16] تشبه هذه الريبوسومات تلك الموجودة في البكتيريا ويُعتقد أن هذه العضيات نشأت كبكتيريا تكافلية [16] من الاثنين ، الريبوسومات البلاستيكية الخضراء أقرب إلى البكتيريا منها في الميتوكوندريا. يتم تقصير العديد من قطع الحمض النووي الريبي الريباسي في الميتوكوندريا ، وفي حالة الرنا الريباسي 5S ، يتم استبدالها بهياكل أخرى في الحيوانات والفطريات. [26] على وجه الخصوص ، الليشمانية tarentolae لديه مجموعة مصغرة من الرنا الريباسي الميتوكوندريا. [27] على النقيض من ذلك ، تمتلك الميتوريبوسومات النباتية كلاً من الرنا الريباسي الممتد والبروتينات الإضافية مقارنةً بالبكتيريا ، على وجه الخصوص ، العديد من البروتينات التي تكرر خماسي البنتيد. [28]

قد تحتوي طحالب الكريبتوموناد والكلوراراشنيوفيت على شكل نووي يشبه نواة حقيقية النواة. [29] حقيقيات النوى 80S الريبوسومات قد تكون موجودة في الحجرة التي تحتوي على النواة. [ بحاجة لمصدر ]

الاستفادة من الاختلافات تحرير

يتم استغلال الاختلافات بين الريبوسومات البكتيرية وحقيقية النواة من قبل الكيميائيين الصيدلانيين لإنتاج مضادات حيوية يمكنها تدمير العدوى البكتيرية دون الإضرار بخلايا الشخص المصاب. نظرًا للاختلافات في بنيتها ، فإن الريبوسومات 70S البكتيرية معرضة لهذه المضادات الحيوية بينما الريبوسومات حقيقية النواة 80S ليست كذلك. [30] على الرغم من أن الميتوكوندريا تمتلك ريبوسومات مشابهة للبكتيريا ، إلا أن الميتوكوندريا لا تتأثر بهذه المضادات الحيوية لأنها محاطة بغشاء مزدوج لا يسمح بسهولة بدخول هذه المضادات الحيوية إلى العضية. [31] مثال مضاد جدير بالملاحظة يتضمن الكلورامفينيكول المضاد الحيوي للأورام ، والذي يثبط بنجاح 50S البكتيرية والريبوزومات حقيقية النواة 50S للميتوكوندريا. [32] لا يمكن قول الشيء نفسه عن الميتوكوندريا عن البلاستيدات الخضراء ، حيث تعتبر مقاومة المضادات الحيوية في بروتينات الريبوسوم سمة يجب تقديمها كعلامة في الهندسة الوراثية. [33]

الخصائص العامة تحرير

تشترك الريبوسومات المختلفة في بنية أساسية متشابهة تمامًا على الرغم من الاختلافات الكبيرة في الحجم. يتم تنظيم الكثير من الحمض النووي الريبي بشكل كبير في أشكال هيكلية من الدرجة الثالثة ، على سبيل المثال العقدة الكاذبة التي تظهر التراص المحوري. يكون الحمض النووي الريبي الإضافي في الريبوسومات الأكبر في عدة عمليات إدخال مستمرة طويلة ، [34] بحيث تشكل حلقات خارج البنية الأساسية دون تعطيلها أو تغييرها. [16] يتم تنفيذ كل النشاط التحفيزي للريبوسوم بواسطة الحمض النووي الريبي (RNA) ، حيث توجد البروتينات على السطح ويبدو أنها تعمل على استقرار الهيكل. [16]

تحرير هيكل عالي الدقة

يُعرف التركيب الجزيئي العام للريبوسوم منذ أوائل السبعينيات. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، تم تحقيق الهيكل بدقة عالية ، بترتيب بضعة أنجستروم.

تم نشر الأوراق الأولى التي تعطي بنية الريبوسوم الذري في وقت واحد تقريبًا في أواخر عام 2000. تم تحديد الوحدة الفرعية 50S (بدائية النواة الكبيرة) من الأركون Haloarcula marismortui [35] والبكتيريا Deinococcus radiodurans، [36] وتم تحديد هيكل الوحدة الفرعية 30S من ثيرموفيلوس. [15] مُنحت هذه الدراسات الهيكلية جائزة نوبل في الكيمياء في عام 2009. وفي مايو 2001 ، تم استخدام هذه الإحداثيات لإعادة بناء مجمل T. ثيرموفيلوس جسيم 70S بدقة 5.5. [37]

تم نشر ورقتين في نوفمبر 2005 مع هياكل الإشريكية القولونية 70S الريبوسوم. تم تحديد هياكل الريبوسوم الشاغر بدقة 3.5 باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. [38] بعد ذلك بأسبوعين ، تم نشر هيكل يعتمد على مجهر التبريد الإلكتروني ، [39] والذي يصور الريبوسوم بدقة 11-15 في عملية تمرير خيط بروتيني مركب حديثًا إلى القناة الناقلة للبروتين.

تم حل الهياكل الذرية الأولى للريبوسوم المركب بجزيئات الرنا الريباسي و الرنا المرسال باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية من قبل مجموعتين بشكل مستقل ، عند 2.8 [40] و 3.7. [41] تسمح هذه الهياكل للفرد برؤية تفاصيل تفاعلات ثيرموفيلوس الريبوسوم مع mRNA و tRNAs مرتبطة في مواقع الريبوسوم الكلاسيكية. تم تصور تفاعلات الريبوسوم مع mRNAs الطويلة التي تحتوي على متواليات Shine-Dalgarno بعد ذلك بوقت قصير بدقة 4.5-5.5. [42]

في عام 2011 ، أول هيكل ذري كامل للريبوسوم 80S حقيقي النواة من الخميرة خميرة الخميرة تم الحصول عليها عن طريق علم البلورات. [22] يكشف النموذج عن بنية العناصر الخاصة بحقيقيات النوى وتفاعلها مع النواة المحفوظة عالميًا. في الوقت نفسه ، فإن النموذج الكامل لبنية ريبوسوم حقيقية النواة 40S في رباعي الغشاء ثيرموفيلا تم نشره ووصف هيكل الوحدة الفرعية 40S ، بالإضافة إلى الكثير حول تفاعل الوحدة الفرعية 40S مع eIF1 أثناء بدء الترجمة. [23] وبالمثل ، تم تحديد بنية الوحدة الفرعية 60S حقيقية النواة أيضًا من رباعي الغشاء ثيرموفيلا في مجمع مع eIF6. [24]

الريبوسومات هي جزيئات دقيقة تتكون من الحمض النووي الريبي والبروتينات المرتبطة به والتي تعمل على تصنيع البروتينات. البروتينات ضرورية للعديد من الوظائف الخلوية مثل إصلاح الضرر أو توجيه العمليات الكيميائية. يمكن العثور على الريبوسومات عائمة داخل السيتوبلازم أو متصلة بالشبكة الإندوبلازمية. وتتمثل مهمتها الرئيسية في تحويل الشفرة الوراثية إلى تسلسل الأحماض الأمينية وبناء بوليمرات بروتينية من مونومرات الأحماض الأمينية.

تعمل الريبوسومات كمحفزات في عمليتين بيولوجيتين مهمتين للغاية تسمى نقل الببتيدل والتحلل المائي الببتيدلي. [43] "مركز PT مسؤول عن إنتاج روابط البروتين أثناء استطالة البروتين". [43]

تحرير الترجمة

الريبوسومات هي أماكن عمل التخليق الحيوي للبروتين ، وهي عملية ترجمة الرنا المرسال إلى بروتين. يشتمل mRNA على سلسلة من الكودونات التي يتم فك تشفيرها بواسطة الريبوسوم لصنع البروتين. باستخدام mRNA كقالب ، يعبر الريبوسوم كل كودون (3 نيوكليوتيدات) من الرنا المرسال ، مقترنًا بالحمض الأميني المناسب الذي يوفره aminoacyl-tRNA. يحتوي Aminoacyl-tRNA على مضاد مكودون مكمل من جهة والحمض الأميني المناسب من جهة أخرى. من أجل التعرف السريع والدقيق على الحمض الريبي النووي النقال المناسب ، يستخدم الريبوسوم تغييرات توافقية كبيرة (التدقيق المطابق). [44] ترتبط الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة ، عادة بـ aminoacyl-tRNA المحتوي على أول حمض أميني ميثيونين ، وترتبط بكودون AUG على الرنا المرسال وتجند الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة. يحتوي الريبوسوم على ثلاثة مواقع ربط RNA ، المعينة A و P و E. يربط الموقع A aminoacyl-tRNA أو عوامل إطلاق الإنهاء [45] [46] يربط موقع P peptidyl-tRNA (a tRNA مرتبط بـ poly -سلسلة الببتيد) والموقع الإلكتروني (الخروج) يربط الحمض النووي الريبي الحر. يبدأ تخليق البروتين في بداية كودون AUG بالقرب من نهاية 5 'من الرنا المرسال. يرتبط mRNA بموقع P للريبوسوم أولاً. يتعرف الريبوسوم على كودون البداية باستخدام تسلسل Shine-Dalgarno من الرنا المرسال في بدائيات النوى وصندوق كوزاك في حقيقيات النوى.

على الرغم من أن تحفيز رابطة الببتيد يشتمل على هيدروكسيل C2 لأدينوسين RNA في موقع P في آلية مكوك البروتون ، فإن خطوات أخرى في تخليق البروتين (مثل الانتقال) تحدث بسبب التغيرات في مطابقة البروتين. نظرًا لأن النواة التحفيزية تتكون من الحمض النووي الريبي ، فإن الريبوسومات تصنف على أنها "ريبوزيمات" ، [47] ويُعتقد أنها قد تكون من بقايا عالم الحمض النووي الريبي. [48]

في الشكل 5 ، تتجمع كل من الوحدات الفرعية الريبوسومية (الصغيرة والكبيرة) في كودون البداية (نحو نهاية 5 'من الرنا المرسال). يستخدم الريبوسوم الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) الذي يطابق الكودون الحالي (ثلاثي) على الرنا المرسال لإلحاق حمض أميني بسلسلة البولي ببتيد. يتم ذلك لكل ثلاثة توائم على الرنا المرسال ، بينما يتحرك الريبوسوم نحو نهاية 3 'من الرنا المرسال. عادة في الخلايا البكتيرية ، تعمل العديد من الريبوسومات بالتوازي على mRNA واحد ، مكونة ما يسمى a بوليبوزوم أو متعدد الروح.

تحرير الطي الترجمي

من المعروف أن الريبوسوم يشارك بنشاط في طي البروتين. [49] [50] عادة ما تكون الهياكل التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة متطابقة مع تلك التي تم الحصول عليها أثناء إعادة التشكيل الكيميائي للبروتين ، ومع ذلك ، فإن المسارات المؤدية إلى المنتج النهائي قد تكون مختلفة. [51] [52] في بعض الحالات ، يكون الريبوسوم حاسمًا في الحصول على شكل البروتين الوظيفي. على سبيل المثال ، تعتمد إحدى الآليات المحتملة لطي البروتينات شديدة العقد على قيام الريبوسوم بدفع السلسلة عبر الحلقة المتصلة. [53]

إضافة الترجمة المستقلة الأحماض الأمينية تحرير

يرتبط وجود بروتين التحكم في جودة الريبوسوم Rqc2 باستطالة البروتين المستقل عن الرنا المرسال. [54] [55] هذا الاستطالة نتيجة لإضافة الريبوسوم (عبر الحمض الريبي النووي النقال الذي جلبه Rqc2) من قط ذيول: الريبوسومات تمدد ج- نهاية بروتين متوقف مع تسلسلات عشوائية مستقلة عن الترجمة أlanines و رالهريونين. [56] [57]

تصنف الريبوسومات على أنها إما "حرة" أو "مرتبطة بغشاء".

تختلف الريبوسومات الحرة والمرتبطة بالغشاء فقط في توزيعها المكاني فهي متطابقة في الهيكل. يعتمد ما إذا كان الريبوسوم موجودًا في حالة حرة أو مرتبط بالغشاء على وجود تسلسل إشارة استهداف ER على البروتين الذي يتم تصنيعه ، لذلك قد يكون الريبوسوم الفردي مرتبطًا بالغشاء عندما يصنع بروتينًا واحدًا ، ولكنه مجاني في العصارة الخلوية عندما يصنع بروتينًا آخر.

يشار إلى الريبوسومات أحيانًا باسم العضيات ، ولكن استخدام المصطلح عضية غالبًا ما يقتصر على وصف المكونات الخلوية الفرعية التي تشتمل على غشاء فوسفوليبيد ، والذي لا تفعله الريبوسومات ، نظرًا لكونها جسيمات بالكامل. لهذا السبب ، يمكن وصف الريبوسومات أحيانًا بأنها "عضيات غير غشائية".

تحرير الريبوسومات الحرة

يمكن أن تتحرك الريبوسومات الحرة في أي مكان في العصارة الخلوية ، ولكن يتم استبعادها من نواة الخلية والعضيات الأخرى. يتم إطلاق البروتينات التي تتشكل من الريبوسومات الحرة في العصارة الخلوية وتستخدم داخل الخلية. نظرًا لأن العصارة الخلوية تحتوي على تركيزات عالية من الجلوتاثيون ، وبالتالي فهي بيئة مختزلة ، لا يمكن إنتاج البروتينات التي تحتوي على روابط ثاني كبريتيد ، والتي تتكون من بقايا السيستين المؤكسدة.

تحرير الريبوسومات المرتبطة بالغشاء

عندما يبدأ الريبوسوم في تصنيع البروتينات اللازمة في بعض العضيات ، فإن الريبوسوم الذي يصنع هذا البروتين يمكن أن يصبح "مرتبطًا بالغشاء". يحدث هذا في الخلايا حقيقية النواة في منطقة من الشبكة الإندوبلازمية تسمى "ER الخام". يتم إدخال سلاسل البولي ببتيد المنتجة حديثًا مباشرة في ER بواسطة الريبوسوم الذي يقوم بالتخليق المتجهي ثم يتم نقلها إلى وجهاتها ، من خلال المسار الإفرازي. تنتج الريبوسومات المربوطة عادةً بروتينات تُستخدم داخل غشاء البلازما أو تُطرد من الخلية عبرها طرد خلوي. [58]

في الخلايا البكتيرية ، يتم تصنيع الريبوسومات في السيتوبلازم من خلال نسخ أوبرا جينات ريبوسوم متعددة. في حقيقيات النوى ، تحدث العملية في سيتوبلازم الخلية وفي النواة ، وهي منطقة داخل نواة الخلية. تتضمن عملية التجميع الوظيفة المنسقة لأكثر من 200 بروتين في تخليق ومعالجة الرنا الريباسي الأربعة ، بالإضافة إلى تجميع تلك الرنا الريباسي مع بروتينات الريبوسوم.

ربما نشأ الريبوسوم لأول مرة في عالم الحمض النووي الريبي ، حيث ظهر كمركب ذاتي التكاثر طور لاحقًا فقط القدرة على تخليق البروتينات عندما بدأت الأحماض الأمينية في الظهور. [59] تشير الدراسات إلى أن الريبوسومات القديمة المكونة فقط من الرنا الريباسي يمكن أن تكون قد طورت القدرة على تصنيع روابط الببتيد. [60] [61] [62] بالإضافة إلى ذلك ، تشير الأدلة بقوة إلى الريبوسومات القديمة كمجمعات ذاتية التكاثر ، حيث كان للـ rRNA في الريبوسومات أغراض إعلامية وتركيبية وحفازة لأنه يمكن أن يكون مشفرًا لـ tRNAs والبروتينات اللازمة للريبوسومات التكرار الذاتي. [63] الكائنات الخلوية الافتراضية ذات الحمض النووي الريبي ذاتية التكاثر ولكن بدون الحمض النووي تسمى الخلايا الريبية (أو الخلايا الريبية). [64] [65]

نظرًا لظهور الأحماض الأمينية تدريجيًا في عالم الحمض النووي الريبي تحت ظروف ما قبل الحيوية ، [66] [67] تفاعلاتها مع الحمض النووي الريبي التحفيزي ستزيد من نطاق وكفاءة وظيفة جزيئات الحمض النووي الريبي التحفيزية. [59] وبالتالي ، فإن القوة الدافعة لتطور الريبوسوم من آلة قديمة ذاتية التكاثر إلى شكلها الحالي كآلة متعدية قد تكون الضغط الانتقائي لدمج البروتينات في آليات التكاثر الذاتي للريبوسوم ، وذلك لزيادة قدرتها على التكرار الذاتي. [63] [68] [69]

الريبوسومات غير متجانسة من الناحية التركيبية بين الأنواع وحتى داخل نفس الخلية ، كما يتضح من وجود ريبوسومات السيتوبلازم والميتوكوندريا داخل نفس الخلايا حقيقية النواة. اقترح بعض الباحثين أن عدم التجانس في تكوين البروتينات الريبوزومية في الثدييات مهم لتنظيم الجينات ، بمعنى آخر.، فرضية الريبوسوم المتخصصة. [70] [71] ومع ذلك ، فإن هذه الفرضية مثيرة للجدل وموضوع البحث المستمر. [72] [73]

تم اقتراح عدم التجانس في تكوين الريبوسوم لأول مرة للمشاركة في التحكم الترجمي لتخليق البروتين بواسطة فينس ماورو وجيرالد إيدلمان. [74] اقترحوا فرضية مرشح الريبوسوم لشرح الوظائف التنظيمية للريبوسومات. تشير الدلائل إلى أن الريبوسومات المتخصصة الخاصة بمجموعات الخلايا المختلفة قد تؤثر على كيفية ترجمة الجينات. [75] تتبادل بعض البروتينات الريبوزومية من المركب المُجمَّع مع نسخ عصاري خلوي [76] مما يشير إلى أن هيكل في الجسم الحي يمكن تعديل الريبوسوم دون تخليق ريبوسوم جديد بالكامل.

تعتبر بعض البروتينات الريبوزومية ضرورية للغاية للحياة الخلوية بينما البعض الآخر ليس كذلك. في الخميرة الناشئة ، البروتينات الريبوزومية 14/78 غير ضرورية للنمو ، بينما يعتمد هذا في البشر على خلية الدراسة. [77] تشتمل الأشكال الأخرى من عدم التجانس على تعديلات ما بعد الترجمة لبروتينات الريبوسوم مثل الأسيتيل والميثلة والفسفرة. [78] أرابيدوبسيس، [79] [80] [81] [82] قد تتوسط مواقع دخول الريبوسوم الداخلية الفيروسية (IRESs) في الترجمات عن طريق الريبوسومات المميزة تركيبيًا. على سبيل المثال ، وحدات الريبوسوم 40S بدون eS25 في الخميرة وخلايا الثدييات غير قادرة على تجنيد CrPV IGR IRES. [83]

تلعب عدم تجانس تعديلات الحمض النووي الريبي الريباسي دورًا مهمًا في الصيانة الهيكلية و / أو الوظيفة ، وتوجد معظم تعديلات الرنا المرسال في مناطق محمية للغاية. [84] [85] تعد تعديلات الرنا الريباسي الأكثر شيوعًا هي التحلل الكاذب و 2'-O مثيلة الريبوز. [86]


الريبوسومات المهندسة كيميائيًا: حدود جديدة في علم الأحياء التركيبي

المؤلفون): آنا تشيركوفا ، ماتياس إرلاشر ، رونالد ميكورا ، نوربرت بولاسيك إنسبروك المركز الحيوي ، جامعة إنسبروك الطبية ، قسم علم الجينوم و RNomics ، فريتز-بريغل-شتراسه 3 ، 6020 إنسبروك ، النمسا. ، النمسا

الانتماء:

اسم المجلة: الكيمياء العضوية الحالية

المجلد 14 ، العدد 2 ، 2010




الملخص:

تم إدخال نيوكليوتيدات RNA المعدلة كيميائيًا في الماضي في ريبوزيمات مختلفة من أجل فهم طي RNA وآلية تحفيز RNA. تمت إضافة الريبوسوم مؤخرًا ، وهو أكبر ريبوزيم طبيعي معروف حتى الآن ، إلى قائمة الإنزيمات القابلة للبيولوجيا التركيبية. كانت الريبوسومات المهندسة كيميائيًا نشطة في فحوصات وظيفية مختلفة بما في ذلك تفاعل نقل الببتيدل أحادي الدوران وكذلك فحوصات الترجمة المختبرية. كشف تخليق المرحلة الصلبة للعديد من نظائر النوكليوتيدات غير الطبيعية وإدخالها اللاحق في المركز التحفيزي للريبوسوم ، عن الريبوز 2-OH في الموضع A2451 من الحمض النووي الريبوزي 23S كمجموعة وظيفية رئيسية لتخليق رابطة الأميد. من خلال تغيير الخصائص الكيميائية للريبوز في A2451 عن طريق استبدال 2-OH بمجموعات وظيفية مختارة ، أثبتت قدرة المانحين للهيدروجين على كفاءة نقل الببتيدات. سمحت هذه النتائج بالاقتران مع البيانات التي تراكمت على مدار السنوات الماضية باقتراح نموذج شامل لتخليق رابطة الببتيد حيث يساعد A2451 2-OH بشكل مباشر في وضع إحدى ركائز الحمض النووي الريبي عبر تكوين رابطة الهيدروجين وبالتالي يدعم تخليق رابطة الأميد عبر آلية مكوك بروتون. من المتصور أن أنظمة الترجمة الخالية من الخلايا التي تستخدم الريبوسومات المصممة بشكل عقلاني كيميائيًا يمكن إنشاؤها في المستقبل القريب لإنتاج الببتيدات والبروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية.

الكيمياء العضوية الحالية

عنوان: الريبوسومات المهندسة كيميائيًا: حدود جديدة في علم الأحياء التركيبي

الصوت: 14 مشكلة: 2

المؤلفون):آنا تشيركوفا وماتياس إرلاشر ورونالد ميكورا ونوربرت بولاسيك

الانتماء:إنسبروك Biocenter ، جامعة الطب في إنسبروك ، قسم الجينوميات و RNomics ، فريتز بريغل شتراسه 3 ، 6020 إنسبروك ، النمسا.

الملخص: تم إدخال نيوكليوتيدات RNA المعدلة كيميائيًا في الماضي في ريبوزيمات مختلفة من أجل فهم طي RNA وآلية تحفيز RNA. تمت إضافة الريبوسوم مؤخرًا ، وهو أكبر ريبوزيم طبيعي معروف حتى الآن ، إلى قائمة الإنزيمات القابلة للبيولوجيا التركيبية. كانت الريبوسومات المهندسة كيميائيًا نشطة في فحوصات وظيفية مختلفة بما في ذلك تفاعل نقل الببتيدل أحادي الدوران وكذلك فحوصات الترجمة المختبرية. كشف تخليق الطور الصلب للعديد من نظائر النوكليوتيدات غير الطبيعية وإدخالها اللاحق في المركز الحفاز للريبوسوم ، عن الريبوز 2-OH في الموضع A2451 من الحمض النووي الريبوزي 23S كمجموعة وظيفية رئيسية لتخليق رابطة الأميد. من خلال تغيير الخصائص الكيميائية للريبوز في A2451 عن طريق استبدال 2-OH بمجموعات وظيفية مختارة ، أثبتت قدرة المانحين للهيدروجين على كفاءة نقل الببتيدات. سمحت هذه النتائج بالاقتران مع البيانات التي تراكمت على مدار السنوات الماضية باقتراح نموذج شامل لتخليق رابطة الببتيد حيث يساعد A2451 2-OH بشكل مباشر في وضع إحدى ركائز الحمض النووي الريبي عبر تكوين رابطة الهيدروجين وبالتالي يدعم تخليق رابطة الأميد عبر آلية مكوك بروتون. من المتصور أن أنظمة الترجمة الخالية من الخلايا التي تستخدم الريبوسومات المصممة بشكل عقلاني كيميائيًا يمكن إنشاؤها في المستقبل القريب لإنتاج الببتيدات والبروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية.


تحدي الريبوسوم لعالم RNA

يعد عالم الحمض النووي الريبي الذي سبق العالم الحديث من عديد الببتيد وعديد النوكليوتيد أحد أكثر النماذج المقبولة على نطاق واسع في أبحاث أصل الحياة. في هذا النموذج ، قاد نظام الترجمة عالم الحمض النووي الريبي إلى علم الأحياء الموجود للحمض النووي ، والحمض النووي الريبي ، والبروتين. هنا ، ندرس فرضية RNA World في سياق المعلومات التفصيلية المتزايدة المتاحة حول أصول نظام الترجمة وتطوره ووظائفه وآلياته. نستنتج أن نظام الترجمة يمثل تحديات حاسمة لفرضيات RNA World. أولاً ، يمثل الجدول الزمني لعالم الحمض النووي الريبي مشكلة عندما يتم دمج الريبوسوم. تبدو آلية نقل الببتيدل للريبوسوم متميزة عن الإنزيمات المتطورة ، مما يشير إلى الأصول في بيئة كيميائية وليس بيولوجية. ثانيًا ، ليس لدينا دليل على أن مجموعة الأدوات الكيميائية الحيوية الأساسية للحياة تخضع لتغيير جوهري من خلال التطور الدارويني ، كما هو مطلوب للانتقال من عالم الحمض النووي الريبي إلى علم الأحياء الموجود. ثالثًا ، لا نرى أدلة محددة على الاستيلاء البيولوجي على وظيفة الريبوزيم بواسطة إنزيمات البروتين. أخيرًا ، لا يمكننا أن نجد أي أساس للحفاظ على الريبوسوم باعتباره ريبوزيم أو عالمية الترجمة ، إذا كان الأمر كذلك أن المعلومات الأخرى التي تحول الريبوزيمات ، مثل الريبوزيمات البوليمرية ، قد تم استبدالها بنظائر البروتين ومسحها من سجل النشوء والتطور. نقترح أن النموذج المحدث لعالم RNA يجب أن يعالج الحالة الحالية للمعرفة بنظام الترجمة.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


الريبوسوم هو ريبوزيم: نظرة إلى أعمال الحائز على جائزة نوبل توماس ستيتز

في مكتب توماس ستيتز ، أستاذ الفيزياء الحيوية الجزيئية والكيمياء الحيوية وأستاذ الكيمياء ، هناك العديد من النماذج الصغيرة لكل من آلات الجزيئات الكبيرة المختلفة التي "حلها" مختبره.

إنها مجموعة رائعة تتكون من النسخ العكسي لفيروس HIV-1 ، ومجموعة من بوليميرات الحمض النووي في حالات مختلفة على طول مسار تكرار الحمض النووي ، وتركيب بيروليسيل- الحمض الريبي النووي النقال ، وريبوسوم.

أشار ستيتز إلى أن "مختبري كان مهتمًا بفهم آليات الآلية الجزيئية المتضمنة في العقيدة المركزية". "نريد إقامة روابط بين الهيكل والوظيفة."

تخبرنا العقيدة المركزية في علم الأحياء أن الحمض النووي يُنسخ لصنع نوع من الحمض النووي الريبي ، والذي بدوره يوفر القالب الجزيئي لصنع البروتينات ، وهي عملية تسمى الترجمة. ومع ذلك ، لا يزال يتعين فهم الكثير من تفاصيل تدفق الصورة الكبيرة.

خلال العقود العديدة الماضية ، حقق مختبر Steitz تقدمًا كبيرًا في توضيح آليات تكرار الحمض النووي والنسخ والترجمة. من خلال اختيار دراسة كل جزيء على حدة ، تم تحديد الخرائط الذرية لمجموعة متنوعة من الجزيئات الكبيرة.

أدت العديد من هذه التطورات إلى مناهج جديدة قائمة على عقلانية لتصميم الأدوية بالإضافة إلى نظرة ثاقبة للمسارات الأساسية في الحياة. بشكل جماعي ، سمحت هذه النتائج للباحثين بفهم الحياة على مستوى غير مسبوق.

جاء أحد أهم إنجازات Steitz في عام 2000 ، عندما نشر بنية عالية الدقة للوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسوم ، وهي آلية تخليق البروتين لكل من الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة. كشف هذا الإنجاز عن العديد من التفاصيل المتعلقة بالجزيء الأساسي.

من بين هذه التفاصيل ، كان إثبات أن الموقع النشط للريبوسوم يتكون فقط من حمض الريبونوكليك (RNA). كان لهذه الملاحظة آثار رائدة في فهم التطور الجزيئي للحياة.

حصل Steitz مؤخرًا ، جنبًا إلى جنب مع Venkatraman Ramakrishnan من المملكة المتحدة و Ada E. Yonath من إسرائيل ، على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2009 عن "دراسات بنية ووظيفة الريبوسوم". تلاحظ لجنة جائزة نوبل في بياناتها الصحفية كلا من التطبيقات العلمية والسريرية لإنجازات Steitz. تم تسليم الجائزة البالغة 1.4 مليون دولار في حفل توزيع الجوائز السنوي في ستوكهولم ، السويد.

أشار Steitz وهو يحدق في كومة من رسائل التهنئة والبطاقات غير المفتوحة الموضوعة على مكتبه: "إنه لشرف كبير أن أحصل على تقدير المجتمع العلمي الدولي".

من خلال استخدام تقنية قوية في الفيزياء الحيوية الهيكلية ، وعلم البلورات بالأشعة السينية ، تمكن كل من Steitz و Ramakrishnan و Yonath من وضع كل ذرة من ذرات الريبوسوم ، وهو جزيء تبلغ كتلته 2.5 × 106 دالتون تقريبًا وقطره 200 أنجستروم. نشر الباحثون الثلاثة التركيب البلوري بشكل مستقل عن بعضهم البعض.

تعد دراسة البلورات بالأشعة السينية واحدة من أكثر التقنيات أساسية لكنها قوية لحل بنية الجزيئات الكبيرة. في الوقت الحاضر ، هذه هي الطريقة الوحيدة الممكنة لدراسة موقع الذرات الفردية.

في علم البلورات بالأشعة السينية ، يقوم الباحثون بتنقية جزيء ضخم باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات كروماتوغرافيا العمود (مثل الترشيح الهلامي أو التبادل الأيوني). بمجرد أن تصبح العينة نقية بدرجة كافية ، تتم إضافتها بتركيزات مختلفة إلى مجموعة متنوعة من المحاليل العازلة في محاولة لترتيب الجزيئات وتشكيل بلورات بروتينية محددة جيدًا. هذه العملية الخاصة شاقة ، وفي كثير من الظروف ، قد تستغرق سنوات حتى تصل إلى الكمال.

بمجرد تشكيل البلورة ، يتم نقلها إلى نوع معين من مسرع الجسيمات المعروف باسم السنكروترون ، حيث يتم قصفها بأشعة إكس عالية الطاقة. تصطدم الأشعة السينية بالذرات داخل البلورة وتنتج نمط حيود يمثل مواضع الذرات الفردية. بعد تحليل العديد من أنماط الحيود ، يتم نمذجة الهيكل النهائي باستخدام برنامج علم البلورات وفحصه بدقة للتأكد من أنه يمثل بدقة البنية في الجسم الحي.

باستخدام عملية مشابهة لتلك الموضحة أعلاه ، تمكن Steitz من حل بنية الريبوسوم. ومع ذلك ، نظرًا لحجم وتعقيد الريبوسوم ، تم تقديم العديد من الصعوبات التقنية ، والتي كان على Steitz التغلب عليها قبل حل الهيكل تمامًا.

يلاحظ بيتر مور ، أستاذ الكيمياء في ستيرلنج ، وأستاذ الفيزياء الحيوية الجزيئية والكيمياء الحيوية ، ومتعاون طويل وصديق لستيتز ، أنه بمجرد تكوين بلورات الريبوسوم ، كان من السهل نسبيًا قياس نمط الانعراج للجزيء الكبير. ومع ذلك ، فإن تحديد المراحل النسبية لكل من آلاف الانعكاسات الواردة كان مهمة صعبة.

إن "مشكلة الطور" كما تم تسميتها في علم البلورات بالأشعة السينية هي فقدان معلومات المرحلة عند أخذ القياسات الفيزيائية. تجمع أجهزة كشف الضوء المستخدمة في تجارب الانعراج شدة الضوء فقط. نظرًا لأن الأطوال الموجية تحتوي على كل من السعة والطور ، يتم فقد جزء مهم من المعلومات. يجب إعادة تكوين هذه المعلومات لتحديد خريطة كثافة الإلكترون لجزيء ضخم ، في هذه الحالة الريبوسوم.

للتحايل على تحدي المرحلة ، قام Steitz بتعديل ثم تطبيق نهج ابتكره Max Perutz لحل هياكل الجزيئات الكبيرة. لقد استخدم مجموعة كبيرة من التنغستن متعددة الذرات لتكون بمثابة "نقطة مرجعية". سوف يرتبط هذا التجمع مع الريبوسوم وينحرف كبقعة مرجعية مميزة. سمحت هذه المعلومات المرجعية لـ Steitz بتكوين بيانات كاملة بمجرد دمج مجموعات جزئية متعددة.

تكمن مشكلة إضافية في حدود برامج الحوسبة. كما يقول Steitz ، "لم تكن تكنولوجيا الكمبيوتر المستخدمة في حل الريبوسوم متاحة حتى التسعينيات. كان من المستحيل إنجاز المهمة قبل ذلك الحين ".

بشكل عام ، كان على Steitz استخدام تقنيات مألوفة بطريقة جديدة ". وبمجرد حل هذه المشكلات ، كان حل بنية الريبوسوم أمرًا سهلاً نسبيًا ". باستخدام بيانات الحيود الكاملة ، التي تحتوي على معلومات المرحلة ، أجرى Steitz توليف فورييه لتحديد كثافة الإلكترون للريبوسوم وبالتالي هيكله.

التركيب البلوري المشترك لمضاد حيوي مرتبط بالوحدة الريبوسومية الكبيرة. الصورة مجاملة من توماس شتايتز.

يعالج مختبر Steitz اليوم عددًا كبيرًا من الأسئلة الجديدة في البيولوجيا الجزيئية. على سبيل المثال ، قام معمله مؤخرًا بحل العديد من هياكل الريبوسوم المركب بمجموعة متنوعة من المضادات الحيوية لتوفير كتاب مدرسي لتصميم دواء عقلاني يستهدف الريبوسوم. بالفعل ، يتم توظيف هذه الأفكار الهيكلية بنجاح في Rib-X Pharmaceuticals ، وهي شركة يساعد كل من Steitz و Moore في تأسيسها في نيو هافن ، لتصميم جيل جديد من المضادات الحيوية الفعالة. علاوة على ذلك ، يبحث Steitz في الحالات المختلفة للريبوسوم أثناء مسار الترجمة. هذه الدراسات لديها القدرة على إحداث تأثيرات عميقة في الطب والمستحضرات الصيدلانية.

Peter Moore remarked, “By understand­ing how various antibiotics target the ribo­some, you can learn how to develop entire new classes of antibiotics.”

The structure of the ribosome for Steitz is not the conclusion of a journey, but the beginning of an exciting one. “For every answered question,” he said, “ten more emerge. No matter how much one pathway or process is studied, there will always be questions left unanswered.”

نبذة عن الكاتب
PHONG LEE is a junior in Branford College majoring in Molecular Biophysics and Bio­chemistry. He is currently working in Professor Yorgo E. Modis’s laboratory studying both the structural mechanism of innate immunity and the membrane fusion of the Hepatitis-G virus.

شكر وتقدير
The author would like to thank Professor Thomas Steitz, Professor Peter Moore, and Ms. Peggy A. Eatherton for their assistance with the article.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


Ribosome the ultimate protein synthesizing nano machine

23nm, 1nm=10 -9 M) and complexity in its function ie synthesizing thousands of proteins required for the cell, is not easy to comprehend. I think, I don’t have the knowledge to site any known machine in size or complexity as marvellous as ribosomes and that is it.

15000, ribosomes, making up 25% of the dry weight of the cell. In prokaryotes, ribosomes are smaller and made up of two unequal subunits 30S and 50S (Svedberg unit) and combined to form a sedimentation co-efficient of 70S (18nm diameter). Whereas, Eukaryotic ribosomes are bigger (23nm) and more complex, 80S and made up of subunits 40S and 60S.

100). Electron microscopic study revealed tandem repeats of rRNA genes (rDNA) are situated along the DNA molecule. The selective amplification of rDNA is necessary for production of large number of ribosomes that are required for fertilized egg to synthesize enough proteins for embryonic development. The transcription of rDNA is mediated by RNA polymerase I (an RNA pol I for every 100 bp of DNA). The rRNA precursor is further processed by RNA and proteins to form final rRNA product. Adjacent rDNA genes are separated by spacer DNA which is not transcribed.


Back to the future of RNA structure

The first issue of RNA appeared 20 years ago in March, 1995 with Tim Nilsen as Editor, with a cover that featured a ribbon diagram of a model of the self-splicing Group I intron based on phylogenetic analysis by Francois Michel and Eric Westhof. At that time, there were fewer than 15 RNA structures, including RNA-DNA and RNA-protein complexes, in the Brookhaven Data Base (now known as the Protein Data Base). By the end of 1996, there were over 40 this 𠇎xplosive” growth in RNA structural studies led to the first ever meeting on RNA Structure, organized by Harry Noller and others and held at UC Santa Cruz in June, 1997. Olke Uhlenbeck was recruited to write a review of that meeting, and he in turn recruited Art Pardi and myself to help him (Uhlenbeck, Pardi, and Feigon, زنزانة، 1997). Looking back, it was an exciting time! The review of the meeting provides a window into that time frame. The structure of the رباعية الغشاء group I intron P4/P6 domain had just been published (Cate et al Doudna, طبيعة سجية, 1996), which, at 160 nt, was the largest RNA structure solved since the 96 nt phenylalanine tRNA structures reported 22 years earlier independently by the Aaron Klug and Alex Rich labs. (The P4/P6 structure became the second cover picture of RNA, volumes 3𠄶 from 1997�.) This structure verified many structural predictions based on biochemical data while also providing atomic details of helical structure, folding, packing, and interactions, many of which could not have been predicted. About 33 other RNA (only) solution NMR (23) and X-ray crystal (10) structures were presented in talks and posters at the meeting (about half of which were not yet published). These comprised domains of rRNA (the largest being 62 nt of 5S rRNA), viral RNAs, ribozymes, mRNA, and snRNAs the hammerhead ribozyme in vitro selected RNA aptamers and RNA duplexes. On a personal note, our first structure of an RNA aptamer, the ATP aptamer bound to AMP, was published in RNA (Dieckman et al. 1996), with an accompanying perspective on NMR structures of aptamers by Tom Cech and Alexander Szewczak. Each of these RNA structures revealed details of new and/or common RNA structure motifs, including U-turns, A-platforms, reverse sugars, inter-strand purine stacks, base zippers, base triples, base quadruples, and pseudoknots, irregular helices with non-Watson-Crick base pairs, bulges, internal loops and tetraloops, along with details of the long range tetraloop receptor-tetraloop interactions. Major themes of the 1997 meeting, in addition to structures of small RNA motifs, were roles of monovalent and divalent cations on folding, stability, and catalysis including the hammerhead ribozyme, biochemical and computational methods for determining RNA folding and dynamics, structures of RNA-protein complexes, and predictions of large RNA structures (i.e., group II intron, RNAse P RNA, rRNA) based on phylogenetic, thermodynamic, cross-linking, chemical probing, and other data. Of the RNA-protein complexes were structures of tRNA bound to tRNA synthetases and to elongation facture Tش, but only a few examples of other RNA-protein complexes. These included crystal structures of a complex of virus MS2 coat protein bound to a hairpin RNA, the first dsRBD-RNA complex by Steve Schultze, U2A-U2B′′RRM-RNA ternary complex by Kiyoshi Nagai, and the first solution NMR structure of an RNA-protein complex, the U1A N-terminal RRM with U1A mRNA fragment from Gabriele Varani's lab presented by his former graduate student and my then current postdoc Frederic Allain. Nearly 20 years ago the ribosome was considered “the ultimate example of a big problem in RNA structural biology.” Pictures of ribosome crystals were shown by Harry Noller and Tom Steitz, but solving X-ray structures of the ribosome still appeared to be a monumental challenge.

Despite our predictions to the contrary, the first high-resolution structures of the ribosome were published before the millennium (and the 16S rRNA structure in the 70S ribosome was on the cover of RNA for volumes 7 and 8, years 2001�). Today we have many structures of ribosomal small and large subunits, complete ribosomes, and ribosomes with different subunits, at various stages of translation, and with inhibitors. While still a challenge, many crystal structures of complete ribozymes as well as riboswitches have been determined. A current search for RNA in the PDB yielded 1068 structure hits, of which 248 were published in RNA (and since 2003 each issue of RNA has featured a different structure on the cover).

عندما RNA journal began and the first RNA Structure meeting was held, it appeared evident that RNA structural biology had reached a new frontier. Yet as that frontier has receded, new frontiers have come into view. While the major themes of the first RNA Structure meeting would be familiar to readers of RNA in a meeting held in 2015, the field of RNA molecular and structural biology has expanded enormously. Twenty years ago the known important RNAs were tRNA, mRNA, rRNA, snRNAs, ribozymes, introns, viral RNAs (pseudoknots), and in vitro selected aptamers. Small nucleolar RNAs were just starting to be characterized and 7SK RNA was an exception to the rule. Even the most RNA-centric “RNA world” scientist could not have predicted the prevalence and variety of biologically important RNAs and RNPs and their myriad functions that have now been discovered. A recent elegant review by Tom Cech and Joan Steitz (زنزانة, 2014) lists 54 الطبقات of RNA, including many with vast numbers such as riboswitches, lncRNAs, microRNAs, snoRNAs and scaRNAs. Many of these non-coding RNAs function as a component of RNPs, and many of the RNPs are dynamic assemblies with proteins that come on and off a core RNP for regulation of function. Many RNAs also assume different structures for different functions, e.g., viral RNAs as well as riboswitches. The growing numbers of functional non-coding RNA and RNPs present new targets as well as new challenges for RNA structural biology.

Fortunately, the last few years have presented structural biologists with new and improved tools for structural biology. Once crystals are obtained, data collection at synchrotrons can be fast and efficient. New NMR methods for RNA structure determination, for investigating RNA dynamics over a wide range of time scales, and for detecting small populations (invisible states) of RNA conformations have been developed, and NMR is also one of the best tools for detecting weak interactions. Small angle X-ray scattering (SAXS) has emerged as a useful tool to determine overall shapes of RNAs and RNPs, and is particularly useful when used in combination with high-resolution structures of domains. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) and especially single molecule FRET (smFRET) have been used to decipher conformational changes in riboswitches, the ribosome, telomerase, and more. Negative stain and cryolectron microscopy has been and will continue to be tremendously useful for studying RNA assemblies even when only lower resolution EM maps are obtained, as subunits can be localized by affinity labeling and the maps can be fit with higher resolution crystal and NMR structures of domains. This was the case for the EM structure of رباعية الغشاء telomerase, a collaboration between the laboratories of Kathy Collins, Hong Zhou, and myself (Jiang et al., Zhou, Collins, Feigon, طبيعة سجية, 2013). But perhaps nothing is more significant than the amazing and ongoing progress in cryoEM single particle analysis over the past couple of years (Bai, McMullan, Scheres, TIBS, 2015). The recent development of direct-electron detectors and improved image processing have together led to determination of EM structures at resolutions better than 3.5 Å. Notable among these for the RNA field are several structures of ribosomes including the recently reported structure of the human mitochondrial ribosome large subunit. Some major advantages of cryoEM are the very small amounts of sample needed (as little as 0.1 mg), no requirement for crystallization (for X-ray structures), and in favorable cases the ability to sort out sample impurities and structural heterogeneity during image classification. Although still a considerable challenge, it is also clear that near atomic resolution EM structures are not necessarily limited to large assemblies like the ribosome. A very recent 2.9 Å EM structure of the 440 kD anthrax pore assembly provides an example. Applications of cryoEM to RNA and RNPs other than the ribosome using the new hardware and software are only just beginning, and will clearly bring many exciting new results in the years to come. There are a number of challenges unique to RNA that will need to be overcome, including RNA inter-domain flexibility. A hybrid structural biology approach, incorporating data from NMR, X-ray crystallography, and low and high resolution EM will provide a path to determine not only structures but also dynamics of RNA and RNA assemblies. Coupled with biochemistry these studies should provide new information on RNA and RNP catalytic mechanisms, interactions, and assembly. It is clear that we are entering a new frontier of RNA structural biology. It's (still) an exciting time!

While much has changed in the last 20 years in the RNA world, one constant has been Tim Nilsen as Editor of RNA. I would like to take this opportunity to thank him for his profound knowledge, insights and influence on the RNA field, which have benefited RNA scientists both young and old.


شاهد الفيديو: الرايبوسومات - علم الخلية - لمرحلة الثاني احياء (كانون الثاني 2022).