Ribosomer: Forekomst, Fordeling, Struktur, Typer, Kemisk Sammensætning og Funktioner

Ribosomer: Forekomst, Fordeling, Struktur, Typer, Kemisk Sammensætning og Funktioner!

Ribosomer er de basofile granuler til stede i cytoplasmaet i cellen. Da dette materiale havde en affinitet for basale pletter svarende til den af ​​kromatingranuler af kernen, så var det for en tid kaldet kromidisk eller kromofil substans.

Ribosomerne blev først noteret i planteceller af Robinson og Brown i 1953, mens de studerede bønnerødder med elektronmikroskopet og kort tid derefter Palade (1955) observerede dem i dyreceller. Han isolerede ribosomerne og detekterede RNA i dem, og derfor kaldte de også RNP- eller ribonukleoproteinpartikler eller Palade-granuler. Claude betegnede dem som microsome, men navnet ribosome blev udpeget af Robert i 1958.

Hændelse:

De er universelt fordelt i hele dyreriget og planteriget. Prokaryoter også, de er fundet. De eneste celletyper uden ribosomer er pattedyret RBC. Tætheden af ​​ribosomer pr. Enhedsareal er ret konstant for en given type. Det er højt i cellerne, der er aktive m proteinsyntese og lave celler, hvor proteinsyntese er lav.

Fordeling:

I prokaryote celler forekommer ribosomerne ofte frit i cytoplasmaet. I eukaryote celler forekommer ribosomerne enten frit i cytoplasma eller forbliver fastgjort til den ydre overflade af membranen i endoplasmatisk retikulum (ER).

Når de ikke er knyttet til ER, kaldes de frie ribosomer. Frie ribosomer tjener som steder til syntese af proteiner, der er nødvendige for at opretholde enzymkonstitutionen af ​​den cytoplasmatiske matrix.

Isoleringsmetode:

Ribosomerne isoleres sædvanligvis fra cellen ved differenscentrifugeringsfremgangsmåden, i hvilken analytisk centrifuge anvendes. Ribosomernes sedimentationskoefficient bestemmes af de forskellige optiske og elektroniske teknikker. Sedimentationskoefficienten udtrykkes m Svedberg-enheden, fx 'S' -enheden. S er relateret til størrelsen og molekylvægten af ​​de ribosomale partikler.

Tal og koncentration af ribosomer:

I alle celler, der indeholder endoplasmatisk retikulum, kan et godt antal ribosomer observeres. For eksempel kan mængden af ​​ribonukleinsyre (RNA) i bunden af ​​kirtelceller i plasma og leverceller i alle hurtigt voksende plante- og dyreceller og i bakterier relateres til koncentrationen af ​​ribosom.

I reticulocytter af kanin findes næsten 100 ribosomer pr. Μ3, hvilket svarer til 1 x 10 5 partikler pr. Reticulocyt og ca. 5% af totalmængden af ​​cellemassen, eller ca. 20.000 til 30.000 pr. Celle. Men hvis proteinsyntesens hastighed nedsættes ved ugunstige ernæringsbetingelser, kan antallet af ribosomer falde betydeligt i proteinsyntese-celler og i bakterier.

Struktur af ribosomer:

Ribosomer er bemærkelsesværdige for deres ensartethed i størrelse og sammensætning gennem det brede vifte af celler, hvori de er blevet undersøgt. Ribosomer af højere planter og dyr er oblate, sfæroider, og deres diameter er ca. 250 A °.

Imidlertid er ribosomerne af bakterier noget mindre, fordi de indeholder færre mængder proteiner end de højere animalske ribosomer. Imidlertid ligner bakterielle ribosomer i mængden af ​​RNA pr. Partikel alle de øvrige nuværende undersøgte ribosomer.

I de elektronmikroskopiske undersøgelser afslører negativ farvning en kløft, som deler ribosomerne i en større underenhed og en mindre underenhed. I E. coli er den større partikel noget "kopformet" eller kuppelformet (140 til 160 A °), og mindre en danner en "cap" (90 til 110 A °), der påføres den anden flade overflade (Huxley og Zubey 1960). I højere dyr og planter blev det påvist, at ribosomerne er bundet til endoplasmatisk retikulum af de store underenheder.

Den fine struktur af ribosomet er meget kompleks og endnu ikke fuldt udklaret. Eftersom ribosomerne er stærkt porøse og hydreret, er RNA og protein sandsynligvis blandet i de to underenheder, i sektioner farvet med uranylioner (RNA-selektiv plet), hver ribosom fremstår som en stjerneformet krop med fire til seks arme implanteret på en tæt aksen. Den isolerede 50S-underenhed af Bacillus-undertekster fremstår som en kompakt partikel på 160 til 180A °, der har et femkantet overflade, i midten af ​​hvilket der er et rundt område på 40 til 60 A ° (Nanninga, 1967).

En elektron gennemsigtig kerne, som er negativ farvet i ribosomer svarer til en elektron uigennemsigtig region, er blevet beskrevet i de store submitter. 40S-underenheden er ikke regelmæssig og har tendens til at blive opdelt i to portioner, der er forbundet med en streng 30 til 60A ° tyk.

Ribosomal subunit:

En anden egenskab, som er fælles for alle ribosomer i deres underenhedsstruktur og deres sedimentering konstant ved ultracentrifugering. På basis af sedimentationskonstant er der to hovedtyper af ribosomer.

De fra bakterier har sædvanligvis en koefficient på 70S (Svedberg-enhed) svarende til en molekylvægt på 2, 7 x 10 6 . De andre er ribosomer af eukaryote (nucleerede celler, enten plante eller dyr), sådanne ribosomer har sedimentationskonstant på 80S med en molekylvægt på ca. 4 x 106 dalton.

De to ovennævnte strukturelle underenheder af ribosomer (cup og cap) kræver lav koncentration af Mg ++ ioner (0, 001 M) til strukturel sammenhængskraft. Ribosomerne kan renses ved fjernelse af Mg ++ ioner for at give to mindre partikler en 2/3 og andre 1/3 af massen af ​​det oprindelige intakte ribosom. Faktisk er de intet andet end samme underenheder, som observeres ved hjælp af elektronmikroskop.

Disse underenheder refereres af deres sedimenteringskonstanter. Den ene enhed af ribosom besidder en sedimentationskonstant på 80S eller 70S som tidligere nævnt, medens 2/3-underenheden har en sedimenteringskonstant på henholdsvis 60S eller 50S og henholdsvis 1/3 subenheden 40S eller 30S. Begge subunits bindes sammen gennem magnesiumioner, der interagerer med phosphodiestergrupperne af RNA.

Den fuldt magnesiummættede partikel indeholder Mg ++ ioner pr. Tre phosphodiestergrupper. Fjernelse af beregnet 1/3 af disse magnesiumioner resulterer i spaltning af 80S til dannelse af 60S og 40S (underenheder).

Fjernelse af yderligere Mg ++ resulterer i tilfælde af ærter og gær ribosomer i det mindste i yderligere spaltning frigørelse, hvad der tilsyneladende er 1/6 underenhed. Denne yderligere spaltning er i modsætning til den til 2/3 og 1/3 underenheder irreversibel i den forstand, at restaurering af magnesiumioner ikke resulterer i genoprettelse af 80S partikler.

Hvis Mg ++- koncentrationen øges ti gange, kombineres to ribosomer for at danne en "dimer" med dobbelt så meget som de enkelte ribosomers molekylvægt. Dimeren kan omdannes tilbage til to ribosomer ved at sænke Mg ++ koncentrationen.

De tidlige elektronmikroskopiske observationer af celleafsnit afslørede, at ribosomer ofte var associeret i grupper, der lejlighedsvis dannede tilbagevendende mønster. Det var først i 1962, at funktionen af ​​disse polyribosomer, eller polysomer, i proteinsyntese blev opdaget (Warner og Rich, 1962).

Efter behandling af reticulocytter med C14- mærkede aminosyrer og ved anvendelse af blide metoder til afbrydelse viste man, at der ud over den typiske sedimenteringskonstant af enkeltribosom (80S) var nogle større enheder til stede.

Sedimentationskonstanten af ​​disse partikler varierer fra 108S til 170S eller endnu mere; dette svarede til polyribosom på fem enheder (en pentamer). Det blev bekræftet ved elektronmikroskopi, at ca. 75% af ribosomerne, der viser 170S-spidsen, blev præsenteret som pentamerer.

En tynd filament, fortolket som i mRNA, ca. 150 A °. Antallet af ribosomer i polyribosomer kan variere betydeligt og synes at være relateret til længden af ​​mRNA'et, som skal læses i oversættelsesprocessen.

I E. coli og i celler fra kyllingeembryo er polyribosomer sammensat af ca. 50 enheder blevet observeret {Rich 1967). Polyribosomer kan være fri i cytoplasma eller bundet til membranerne i det endoplasmatiske retikulum.

For fri polyribosomer er en spiralformet konfiguration postuleret med de små underenheder anbragt omkring midteraksen og de store underenheder anbragt ved periferien. I sektioner af forskellige celler har polyribosomer observeret din spiralformede matrix (Weiss and Grover, 1968). Det antages, at i polysomet ligger mRNA mellem de to underenheder af ribosomet.

Typer af ribosomer :

Ribosomerne er af to basiske typer, 70S og 80S ribosomer. S betegner således Svedberg-enheder. Faktisk er det sedimentationskoefficienten, der viser, hvor hurtig cellelorganelle sedimenter i en ultracentrifuge. Sedimentationskoefficienter er ikke additiv.

80S ribosomer findes i eukaryoter (organismer hvis celler har ægte kerne afgrænset af nukleare konvolutter) f.eks. Alger, svampe, højere planter og dyr. Dyrens 80S ribosom består af en stor 60S underenhed og en lille 40S underenhed.

70S ribosomer er relativt mindre og findes i prokaryoter (organismer hvis DNA ikke er afgrænset af en nuklear kuvert), f.eks. Bakterier. 70S ribosomet består af en stor 50S underenhed og en lille 30S underenhed.

Ribosomer fundet i mitokondrier og chloroplaster af eukaryoter er tættere på prokaryote ribosomer snarere end 80S eukaryote ribosomer. Vertebrat mitokondrier indeholder for eksempel 55S ribosomer, hver med en stor 40S underenhed og en lille 30S underenhed. Sedimentationskoefficienterne 80S, 70S og 55S er afrundede værdier. Faktiske S-værdier i forskellige organismer kan være lidt højere eller lavere.

Kemisk sammensætning :

Hovedbestanddelene i ribosomer er RNA og proteiner. Lipiderne er helt fraværende eller til stede i spor. Ribosomer af E. coli besidder næsten 60-65% RNA og 35-40% protein af deres vægt. Tabel 6.3 viser omtrentlig mængde RNA og protein i forskellige typer ribosomer.

Ribosomal RNA afviger i størrelse og baseindhold fra tRNA og fra andre RNA-klasser af de fleste celler. To typer af RNA'er findes i alle ribosomer. De er en integreret komponent og kan ikke fjernes let. RNA af rotteleverpartikler indeholder overvejende de almindelige baser adenin, guanin, cytosin og uracil med lille mængde pseudouridin. De sædvanlige baser, der forekommer i det opløselige RNA, findes kun i partikler RNA i meget lille mængde.

Tabel 6.2 Forskelle mellem 70'erne og ribosomer:

Tilstedeværelse

I prokaryoter bakterier)

I eukaryoter (alger, svampe, højere planter og dyr)

Sedimentationskoefficient

64S-72S (gennemsnitlig 69S)

79-85S i svampe, 80S i pattedyr.

Størrelse

Relativt mindre

Relativt større

Molekylvægt

3 x 10 6

4-5 x 10 6

underenheder

Små 30S og large50S

Små 40S og large60S.

RNA

3 molekyler RNA16S RNA i 30S subunit, 23S og5S RNA i 50S subunit.

4 molekyler RNA16S-18S RNA i 40S subunit; 25-29S, 5, 8S og 5S RNA i 60S subunit.

M. Wt. af RNA

16S RNA-550.00023 S RNA-1.100.0005S RNA-40.000

18S RNA-700.00028S RNA-1, 700.0005.8S RNA 51.000 5S RNA -29.000.

Antal proteiner

21 (S1-S21) i lille subunit34 (S1-L34) i stor underenhed Total i prokaryoter: 50-60 proteiner.

33 i lille subunit49 i stor underenhed Total "i eukaryotest70-80 proteiner

Gennemsnitlig M. Wt. af protein

18.000

21.000

Antal aminosyrer

8.000

16.000

RNA-Protein-forhold

2.1

1: 1

Aninosyrer:

Aminosyresammensætningen af ​​trichloreddikesyre-uopløseligt protein af rottelever-RNP er blevet bestemt af Crompton og Petermann (1959). Aromatiske og svovlholdige aminosyrer var til stede i meget lille mængde, mens leusin og arginin var højt over 10%. Sammensætningen af ​​både kaninreticulocytter og ærteplante-RNP'er er tilsvarende bemærkelsesværdigt.

Et saltsyreekstrakt af delvist oprenset rotte-levende RNP har givet arginin (Smør, 1960), men om disse aminosyrer stammer fra selve proteinerne, er det endnu ikke blevet bestemt.

Protein:

Protein indeholder lineær kæde af aminosyrer. Den tilsvarende i ribosomsammensætning af aminosyrer af ribosomal protein er bemærkelsesværdigt af forskellig oprindelse og kan være helt forskellig fra proteinet dannet af ribosomet.

Derfor er det almindeligt at skelne mellem ribosomalt strukturprotein, at den voksende peptidkæde af enzym, der undergår fremstilling af ribosomet, at proteinet er associeret med ribosomalt RNA ved hydrogenbinding, er klart fra, at dissociation af de to hurtigt og let udføres af reagenser, som angribe hydrogenbindinger som for eksempel med guanidiumbromid.

Eksperimenter er blevet udført af Yin og Bock (1960), der opnåede et stabilt gær-ribosomalt protein. Watson (1960) fik protein af E. coli og ved analyse af en sådan gruppe indikerer molekylvægten af ​​hver af underenheder at være ca. 30.000.

Ribosomale enzymatiske proteiner:

De fleste af de ribosomale proteiner virker som enzymer og derved katalyserer proteinsyntese. Initieringsproteiner IF 1, IF2 og 1F3 initierer proteinsynteseprocessen, mens overføringsproteiner (G-faktor, Ts-faktor) hjælper med translokation af ribosomer over mRNA og overførsel af t-RNA-rest fra et sted af ribosomet til det andet sted .

Andre enzympeptidyltransferere hjælper i transformationen af ​​peptidkæder til aminoacy1-tRNA og andre enzymer-terminering af den færdige polypeptidkæde.

Som et resultat af vask af ribosomer med NH4Cl og underkastet dem søjlekromatografi isolerede Ochoa og kollegaer (1960) over faktorer i proteinsyntese. Blandt dem er tre initieringsfaktorer - IF1, IF2 og IF3 - løst forbundet med 30S underenhed. IF1 faktor er et basisk protein med en molekylvægt på 9200 dalton.

Det er involveret i bindingen af ​​F-met-tRNA. IF2 faktor er også et protein af mol. vægt. 8000 dalton og indeholder SH-grupper, der hjælper med binding med GTP. Tredje proteinfaktor-IF3, kræver ikke GTP og er involveret i binding af mRNA til 30S underenheder.

Det er et basisk protein med en molekylvægt på 30.000 dalton. IF3 kan også fungere som dissociationsfaktor for 70S ribosomer. Ochoa et al. (1972) har yderligere rapporteret interferensfaktor (i) i bakterier E.coli. Disse faktorer binder til IF3 faktor, ændrer dens specificitet og regulerer således oversættelsen af ​​genetisk besked i begyndelsen.

Forlængelsesfaktorer er essentielle for forlængelsen af ​​polypeptidkæden. Disse er EFG (også kaldet G faktor eller translokase) og EFT faktor. Som beskrevet tidligere er EFG eller G-faktor involveret i transloktionen af ​​mRNA. I E. coli består den af ​​en enkelt polypeptidkæde, der har mol. vægt. på 72, 00 dalton. EFG + GTP fremmer translokationen af ​​nyligt langstrakt peptidyl-tRNA.

En anden EFT faktor har to slags proteiner nemlig Tu (temperatur ustabil) og Ts (temperatur stabil). EFTu-faktoren + GTP danner komplekst aminoacyl-tRNA inden dets binding til acceptorstedet for ribosom katalyseres af Ts-faktor. Endvidere har 50S ribosomal subunit en enzym-peptidsyntetase eller peptyldyltransferase associeret i dannelsen af ​​peptidbinding. Afslutningsfaktorer R1 og R2 frigiver proteiner, der hjælper med frigørelse af polypeptidkæden.

Biogenese af ribosomer:

Biogenese af ribosomer i bakteriel prokaryotisk celle finder sted inde i cytoplasmaet på grund af fraværet af nukleol. RRNA'erne stammer fra de specifikke kodoner af genomet eller det ribosomale DNA (rDNA).

I eukaryote celler er processen med biogenese af ribosomer kompliceret og forekommer inde i nukleolus. Et af kromosomerne i et sæt har en specifik nukleolarorganiseringsregion, som indeholder nukleolært RNA-molekyle, som er en forstadie for både 28S og 18S rRNA. Processen med omdannelse af 45S-RNA til 28S og 18S rRNA er illustreret nedenfor:

45S nukleolære RNA-molekyler er methylerede (-CH, gruppe tilsættes). Disse methylerede molekyler af 45S nukleolært RNA bliver associeret med de nødvendige proteiner, som er til stede i nucleolusdannende 80S ribonuceoporteinmolekylepartikler (RNP). Disse 80S RNP med 45S molekylært RNA opdeles i 32S og 18S rRNA gennem flere mellemliggende trin, hvorved ikke-methyleret del af molekylerne går tabt. 18S-molekyle sammen med dets proteinmolekyler transporteres straks til cytoplasmaet. 32S rRNA forbliver indenfor nucleolus i nogen tid og bliver spaltet ind i 28S rRNA.

5S-rRNA syntetiseres uden for nukleolus, og generne ligger ved siden af ​​nukleolarorganiseringsregionen i kromosomet.

18S-rRNA'et sammen med dets proteiner forlader kernen gennem nukleopor og kommer ud i cytoplasma, hvor det sammen med proteiner samles i lille ribosoms underenhed (40S). 28S rRNA forlader også kernen og bliver inkorporeret med 5S rRNA og proteinerne danner 60S subunit.

Syntesen af ​​ribosomal protein forekommer delvist inde i nukleolus og dels inde i cytoplasma. De proteiner, der syntetiseres i cytoplasmaen, samles i nukleoluset, der skal anvendes i ribonukleoproteinmolekylepartikler (RNP).

Ribosomal RNA :

70S ribosomer indeholder tre typer af rRNA, nemlig 23S rRNA, 16S rRNA og 5S rRNA. 23S- og 5S-rRNA forekommer i den større 50S ribosomale underenhed, mens 16S rRNA forekommer i den mindre 30S ribosomale underenhed. 23S rRNA'et består af 3200 nukleotider, 16S rRNA indeholder 1600 nukleotider og 5S rRNA indbefatter 120 nukleotider i det (Brownlee, 1968, Fellner, 1972).

80S ribosomer indeholder også tre typer af rRNA, nemlig 28S rRNA, 18S rRNA og 5S rRNA. 28S- og 5S-rRNA forekommer i den større 60S ribosomale underenhed, mens 18S rRNA forekommer i den mindre 40S ribosomale underenhed.

28S rRNA har molekylvægten 1, 6 x 106 dalton, og dets molekyle er dobbeltstrenget og har nitrogenbaser i par. 18S rRNA har molekylvægten 0, 6 * 10 6 dalton. Molekylet af 5S rRNA har en kløverbladform og en længde svarende til 120 nukleotider (Forget og Weissmann, 1968).

Andre bestanddele :

Metal indholdet af ribosomer er også et vanskeligt spørgsmål. Der er ringe tvivl om, at magnesium er den øverste ion fysiologisk, da den er til stede i høj koncentration i rottelever ribosomer. Det er den mest aktive i at opretholde 80S strukturen (Hamilton og Petermann, 1959), da det er afgørende for aminosyreindarbejdelse in vitro (Rendi og Hultin, 1960). De andre metaller, som er til stede i ribosomer, er chrom, mangan, nikkel, jern og calcium (Walker og Valle, 1958; Tso 1958).

Funktion af ribosomer :

Det er et velkendt faktum, at ribosomer er fabrikker til fremstilling af protein i en celle, men faktisk kan en ribosom ikke deltage i proteinsyntesen. Det var kendt fra 1962, da & rapport blev offentliggjort, hvilket viste at aktive enheder ikke er individuelle ribosomer, men en gruppe af disse enheder, der kaldes polyribosom. En detaljeret rolle polyribosom blev offentliggjort i Scientific American Dec. 1963 af Gric og Hall. Der er mange beviser for, at ribosomer er ens og i det mindste er udskiftelige.

I tilfælde af hæmoglobin med en kæde på 150 aminosyrer er det mest almindelige antal ribosomer og op til 40 ribosomer blevet beskrevet. Så navnet polysom ​​kan også anvendes på stedet for polyribosom. Protein består af en lineær kæde af aminosyrer. Kæden kan være kort eller lang i begge tilfælde det hedder polypeptidkæde. Polypeptid kan foldes på en bestemt måde kombineres ofte for at danne et komplekst protein.

Ribosomerne i et polysom ​​separeres med et mellemrum på 50-150A0. Positiv staning ved hjælp af uracilacetat afslører, at ribosomerne er forbundet med en tynd tråd 10-15A0 i diameter, som er omkring tykkelsen af ​​en enkelt streng af RNA. Fra størrelsen af ​​spalten mellem ribosomer er den samlede måling af spaltet, der indeholder fem ribosomer, ca. 1500A, de fem ribosomer har inter-ribosomal spalt på 50-150A ° hver.