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3.4: Ribosomen - Biologie


Ribosomen sind die Protein-Synthesemaschinen der Zelle. Sie Übersetzen die Informationen kodiert in Boten-RNA (mRNA) in ein Polypeptid.

Form, Größe und Funktion

Ribosomen sind ungefähr kugelförmig mit einem Durchmesser von ~20 nm, sie können nur mit dem Elektronenmikroskop gesehen werden. Abbildung (PageIndex{1}) ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die Ribosomen-Cluster zeigt. Diese Cluster, Polysomen genannt, werden von Boten-RNA (mRNA) zusammengehalten. Sie können 25 % des Trockengewichts von Zellen (z. B. Pankreaszellen) ausmachen und sind auf die Proteinsynthese spezialisiert. Eine einzelne Bauchspeicheldrüsenzelle kann 5 Millionen Proteinmoleküle pro Minute synthetisieren.

In Eukaryoten werden Ribosomen, die Proteine ​​zur Verwendung im Zytosol synthetisieren (z. B. Enzyme der Glykolyse), im Zytosol suspendiert. Die spezifischen Ribosomen, die Proteine ​​synthetisieren, die zur Sekretion bestimmt sind (durch Exozytose), die Plasmamembran (z. B. Zelloberflächenrezeptoren) und Lysosomen. Diese Ribosomen sind an der zytosolischen Seite der Membranen des endoplasmatischen Retikulums befestigt. Wenn das Polypeptid synthetisiert wird, wird es in das Innere (Lumen) des endoplasmatischen Retikulums extrudiert. Bevor diese Proteine ​​ihren endgültigen Bestimmungsort erreichen, durchlaufen sie dann eine Reihe von Verarbeitungsschritten im Golgi-Apparat.

Ribosomen, die 13 der für die innere Membran der Mitochondrien bestimmten Proteine ​​synthetisieren, befinden sich im Mitochondrium selbst und unterscheiden sich in ihrer Struktur von den anderen. Die Ribosomen von Bakterien, Eukaryoten und Mitochondrien unterscheiden sich in vielen Details ihrer Struktur (Tabelle (PageIndex{1})). Trotz dieser Unterschiede sind die grundlegenden Operationen von bakteriellen, eukaryotischen und mitochondrialen Ribosomen jedoch sehr ähnlich.

Bakteriell (70S)Eukaryoten (80S)Mitochondrial (55S)
Tabelle (PageIndex{1}): Vergleich der Ribosomenstruktur in Bakterien, Eukaryoten und menschlichen Mitochondrien
Große Untereinheit50S60S39S
rRNAs
(je 1 von)
23S (2904 nt)28S (4700 nt)16S (1560 nt)
5S (120 nt)5S (120 nt)
5.8S (160 nt)
Proteine354750
Kleine Untereinheit30S40S28S
rRNA16S (1542 nt)18S (1900 Nächte)12S (950 nt)
Proteine203330
S Werte sind der Sedimentationskoeffizient: ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Partikel in der Ultrazentrifuge abgeschleudert werden. S-Werte sind nicht additiv. nts = Nukleotide.

Ribosomale RNA

Ribosomale Ribonukleinsäure (rRNA) ist eine Art von nicht-kodierender RNA, die der Hauptbestandteil von Ribosomen ist und für alle Zellen essentiell ist. rRNA ist ein Ribozym, das die Proteinsynthese in Ribosomen durchführt. Ribosomale RNA wird von ribosomaler DNA (rDNA) transkribiert und dann an ribosomale Proteine ​​gebunden, um kleine und große Ribosomen-Untereinheiten zu bilden. rRNA ist der physikalische und mechanische Faktor des Ribosoms, der Transfer-RNA (tRNA) und Boten-RNA (mRNA) dazu zwingt, letztere zu verarbeiten und in Proteine ​​zu übersetzen. [1] Ribosomale RNA ist die vorherrschende Form von RNA, die in den meisten Zellen vorkommt. Sie macht etwa 80% der zellulären RNA aus, obwohl sie selbst nie in Proteine ​​übersetzt wurde. Ribosomen bestehen aus etwa 60 % rRNA und 40 % ribosomaler Proteine.


Die Ribosomen-Herausforderung für die RNA-Welt

Eine RNA-Welt, die der modernen Welt der Polypeptide und Polynukleotide vorausging, ist eines der am weitesten verbreiteten Modelle der Lebensforschung. In diesem Modell führte das Translationssystem die RNA-Welt in die vorhandene Biologie von DNA, RNA und Protein ein. Hier untersuchen wir die RNA-Welt-Hypothese im Kontext immer detaillierterer Informationen über die Ursprünge, Evolution, Funktionen und Mechanismen des Translationssystems. Wir schließen daraus, dass das Übersetzungssystem kritische Herausforderungen für RNA World Hypotheses darstellt. Erstens ist eine Zeitleiste der RNA-Welt problematisch, wenn das Ribosom eingebaut wird. Der Mechanismus des Peptidyltransfers des Ribosoms scheint sich von evolvierten Enzymen zu unterscheiden und signalisiert einen Ursprung in einem chemischen und nicht in einem biologischen Milieu. Zweitens haben wir keine Beweise dafür, dass die grundlegenden biochemischen Werkzeuge des Lebens durch die darwinistische Evolution wesentlichen Veränderungen unterliegen, wie sie für den Übergang von der RNA-Welt zur bestehenden Biologie erforderlich sind. Drittens sehen wir keine spezifischen Beweise für die biologische Übernahme der Ribozymfunktion durch Proteinenzyme. Schließlich können wir keine Grundlage für die Erhaltung des Ribosoms als Ribozym oder die Universalität der Translation finden, wenn andere informationstransduzierende Ribozyme, wie Ribozym-Polymerasen, durch Proteinanaloga ersetzt und aus der phylogenetischen Aufzeichnung gelöscht würden. Wir schlagen vor, dass ein aktualisiertes Modell der RNA-Welt den aktuellen Wissensstand über das Translationssystem berücksichtigen sollte.


Überblick

Die DNA-Sequenz, die für die Sequenz der Aminosäuren in einem Protein kodiert, wird in eine Boten-RNA-Kette kopiert. Es kann viele Male in RNA-Ketten kopiert werden. Ribosomen können an eine Boten-RNA-Kette binden und deren Sequenz zur Bestimmung der korrekten Aminosäuresequenz verwenden. Aminosäuren werden ausgewählt, gesammelt und zum Ribosom durch Transfer-RNA (tRNA)-Moleküle transportiert, die in einen Teil des Ribosoms eindringen und an die Boten-RNA-Kette binden. Während dieser Bindung erfolgt die korrekte Translation der Nukleinsäuresequenz in die Aminosäuresequenz. Für jedes kodierende Triplett in der Boten-RNA gibt es eine eindeutige Transfer-RNA, die übereinstimmt und die die richtige Aminosäure für dieses kodierende Triplett trägt. Die angehängten Aminosäuren werden dann durch einen anderen Teil des Ribosoms miteinander verbunden. Sobald das Protein hergestellt ist, kann es sich falten, um eine spezifische funktionelle dreidimensionale Struktur zu erzeugen, obwohl einige Proteine ​​während der Synthese beginnen, sich in ihre richtige Form zu falten.

Ein Ribosom besteht aus Komplexen von RNAs und Proteinen und ist daher ein Ribonukleoprotein. Jedes Ribosom ist in zwei Untereinheiten unterteilt: 1) eine kleinere Untereinheit, die an eine größere Untereinheit und das mRNA-Muster bindet, und 2) eine größere Untereinheit, die an die tRNA, die Aminosäuren und die kleinere Untereinheit bindet. Wenn ein Ribosom das Lesen eines mRNA-Moleküls beendet, spalten sich diese beiden Untereinheiten auf. Ribosomen sind Ribozyme, da die katalytische Peptidyltransferase-Aktivität, die Aminosäuren miteinander verbindet, von der ribosomalen RNA ausgeführt wird. Ribosomen sind oft mit den intrazellulären Membranen assoziiert, die das raue endoplasmatische Retikulum bilden.

Ribosomen aus Bakterien, Archaeen und Eukaryoten im Drei-Domänen-System ähneln sich in bemerkenswertem Maße, ein Beweis für einen gemeinsamen Ursprung. Sie unterscheiden sich in ihrer Größe, Sequenz, Struktur und dem Verhältnis von Protein zu RNA. Die Unterschiede in der Struktur ermöglichen es einigen Antibiotika, Bakterien abzutöten, indem sie ihre Ribosomen hemmen, während die menschlichen Ribosomen unberührt bleiben. In Bakterien und Archaeen können sich mehr als ein Ribosom gleichzeitig entlang einer einzelnen mRNA-Kette bewegen, wobei jedes seine Sequenz „liest“ und ein entsprechendes Proteinmolekül produziert.

Die mitochondrialen Ribosomen eukaryontischer Zellen werden aus mitochondrialen Genen hergestellt und ähneln funktionell vielen Merkmalen von Bakterien, was den wahrscheinlichen evolutionären Ursprung der Mitochondrien widerspiegelt. [5] [6]


Struktur des Säugetier-Ribosom-Sec61-Komplexes mit einer Auflösung von 3,4

Die kotranslationale Proteintranslokation ist ein universell konservierter Prozess für die sekretorische und Membranproteinbiosynthese. Entstehende Polypeptide, die aus einem translatierenden Ribosom hervorgehen, werden entweder über den ribosomgebundenen Sec61-Kanal durch die Membran transportiert oder in die Membran eingefügt. Hier berichten wir über Strukturen eines Säugetier-Ribosom-Sec61-Komplexes im Ruhe- und Translationszustand, bestimmt mit einer Auflösung von 3.4 und 3.9 . Die Datensätze ermöglichen den Aufbau eines nahezu vollständigen Atommodells des Säugerribosoms, die Visualisierung von A/P- und P/E-Hybridzustands-tRNAs und die Analyse eines entstehenden Polypeptids im Austrittstunnel. Beispiellose chemische Details werden sowohl für die Ribosom-Sec61-Wechselwirkung als auch für den Konformationszustand von Sec61 nach der Ribosomenbindung beobachtet. Ein Vergleich der Karten von Idle- und Translationskomplexen legt nahe, wie Konformationsänderungen des Sec61-Kanals die Translokation eines sekretierten Polypeptids erleichtern könnten. Die hochauflösende Struktur des Säugetier-Ribosom-Sec61-Komplexes bietet eine wertvolle Referenz für zukünftige Funktions- und Strukturstudien.

Copyright © 2014 Die Autoren. Herausgegeben von Elsevier Inc. Alle Rechte vorbehalten.

Figuren

Die Struktur eines Säugetiers…

Die Struktur eines Säugetier-Ribosom-Translokon-Komplexes (A) Modell des untätigen 80S…

Repräsentative Dichte für die ribosomale…

Repräsentative Dichte für die ribosomalen Proteine ​​und rRNA (A–D) Kryo-EM-Dichte für die…

Eine A/P Hybrid State tRNA (A) Übersicht über die hybride A/P (lila) und…

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Interaktion von Sec61 mit dem Ribosom (A) Übersicht über die Region des…

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Konformation von Ribosomen-gebundenem Sec61α (A) Überblick über das seitliche Tor des Ribosomen-gebundenen…

Der übersetzende Ribosom-Sec61-Komplex (A)…

Die Translating Ribosom-Sec61 Complex (A) Kryo-EM-Dichte im ribosomalen Ausgangstunnel für…

Ein zweistufiges Modell zur Aktivierung…

Ein Zwei-Stufen-Modell zur Aktivierung von Sec61 Hier ist eine Schnittansicht…

Biochemische Charakterisierung des Ribosom-Sec61…

Biochemische Charakterisierung der Ribosom-Sec61-Probe, bezogen auf experimentelle Verfahren (A) Immunblot mit…

Verfeinerungs- und 3D-Klassifizierungsstrategie,…

Verfeinerungs- und 3D-Klassifizierungsstrategie in Bezug auf experimentelle Verfahren Jede Klasse in der…

Karten- und Modellqualität, verwandte…

Karten- und Modellqualität, bezogen auf Abbildung 1 (A) Goldstandard-Fourier-Schalen-Korrelation…

Beispiele für überarbeitete und neu…

Beispiele für überarbeitete und neu sichtbare Ribosomenmerkmale, bezogen auf Abbildung 2 (A)…

Dichte in verschiedenen Regionen von…

Dichte in verschiedenen Regionen der Sec61-Struktur im Leerlauf, bezogen auf Abbildung 4…

Dichte und Eigenschaften der…

Dichte und Merkmale der an das Translationsribosom gebundenen Sec61-Struktur, verwandte…


Evolution des Ribosoms bei atomarer Auflösung

Die Ursprünge und Entwicklung des Ribosoms vor 3-4 Milliarden Jahren sind in die Biochemie des vorhandenen Lebens und in die Struktur des Ribosoms eingeprägt. Prozesse der ribosomalen RNA (rRNA)-Expansion können durch den Vergleich von 3D-rRNA-Strukturen von Bakterien (klein), Hefe (mittel) und Metazoen (groß) "beobachtet" werden. Die rRNA-Größe korreliert gut mit der Komplexität der Spezies. Unterschiede in den Ribosomen zwischen den Spezies zeigen, dass rRNA-Expansionssegmente zu rRNAs hinzugefügt wurden, ohne den bereits bestehenden Kern zu stören. Hier zeigen wir, dass das rRNA-Wachstum durch eine begrenzte Anzahl von Prozessen erfolgt, die das Einfügen einer Zweighelix in eine bereits vorhandene Stammhelix und die Verlängerung einer Helix umfassen. rRNA-Expansionen können charakteristische Fingerabdrücke mit atomarer Auflösung hinterlassen, die wir "Insertions-Fingerabdrücke" nennen. Die Beobachtung von Insertions-Fingerabdrücken im ribosomalen gemeinsamen Kern ermöglicht die Identifizierung wahrscheinlicher anzestraler Expansionssegmente. Die konzeptionelle Umkehrung dieser Expansionen ermöglicht eine Extrapolation in der Zeit rückwärts, um Modelle von primordialen Ribosomen zu generieren. Der hier vorgestellte Ansatz bietet Einblicke in die Struktur von prä-letzten universellen gemeinsamen Vorfahren-rRNAs und die nachfolgenden Erweiterungen, die das Peptidyltransferasezentrum und den konservierten Kern formten. Wir leiten verschiedene Phasen der ribosomalen Evolution ab, durch die sich ribosomale Partikel entwickeln, Kodierung und Translokation erwerben und den Austrittstunnel erweitern und ausarbeiten.

Schlüsselwörter: C-Wert RNA-Evolution Ursprung der Lebens-Phylogenie-Translation.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren geben keinen Interessenkonflikt an.

Figuren

Phylogramm, das die Größen von…

Phylogramm, das die Größen der LSU-rRNAs und die Größen der Genome angibt. Kreis…

Sekundärstrukturen der LSU-rRNA. (…

Sekundärstrukturen der LSU-rRNA. ( EIN ) E coli , ( B )…

Die Entwicklung von Helix 25/ES…

Die Evolution von Helix 25/ES 7 zeigt eine serielle Akkretion von rRNA auf eine…

rRNA-Expansionselemente in zwei…

rRNA-Expansionselemente in zwei und drei Dimensionen. ( EIN ) Spirale 52…

Ursprünge und Entwicklung der…

Ursprünge und Entwicklung des PTC. Trunk-rRNA wird vor und nach angezeigt…

rRNA-Evolution kartiert auf die…

rRNA-Evolution kartiert auf die rRNA-Sekundärstruktur der LSU. Der gemeinsame Kern ist…


Forscher entwickeln erstes künstliches Ribosom

Forscher der University of Illinois in Chicago und der Northwestern University haben ein angebundenes Ribosom entwickelt, das fast genauso gut funktioniert wie die authentische zelluläre Komponente oder Organelle, die alle Proteine ​​und Enzyme in der Zelle produziert. Das manipulierte Ribosom könnte die Produktion neuer Medikamente und Biomaterialien der nächsten Generation ermöglichen und zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise von Ribosomen führen.

Das künstliche Ribosom, Ribo-T genannt, wurde in den Labors von Alexander Mankin, Direktor des Zentrums für Biomolekulare Wissenschaften des UIC College of Pharmacy, und Michael Jewett von Northwestern, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen, hergestellt. Das vom Menschen hergestellte Ribosom kann möglicherweise im Labor manipuliert werden, um Dinge zu tun, die natürliche Ribosomen nicht können.

Wenn die Zelle ein Protein herstellt, wird mRNA (Messenger-RNA) von der DNA kopiert. Die beiden Untereinheiten der Ribosomen, eine große und eine kleine, vereinigen sich auf mRNA, um die funktionelle Einheit zu bilden, die das Protein in einem Prozess namens Translation zusammensetzt. Sobald das Proteinmolekül fertig ist, trennen sich die Ribosomen-Untereinheiten – die beide selbst aus RNA und Protein bestehen – voneinander.

In einer neuen Studie in der Zeitschrift Naturbeschreiben die Forscher das Design und die Eigenschaften von Ribo-T, einem Ribosom mit Untereinheiten, die sich nicht trennen. Ribo-T kann möglicherweise so abgestimmt werden, dass es einzigartige und funktionelle Polymere zur Erforschung von Ribosomenfunktionen oder zur Herstellung von Designer-Therapeutika produziert – und vielleicht eines Tages sogar nicht-biologische Polymere.

So etwas hat noch nie jemand entwickelt.

„Wir hatten das Gefühl, dass Ribo-T eine kleine – sehr kleine – Chance haben könnte, aber wir wussten es nicht wirklich“, sagte Mankin.

Mankin, Jewett und ihre Kollegen waren bei ihren Untersuchungen frustriert, weil die Untereinheiten der Ribosomen in jedem Zyklus der Proteinsynthese auseinanderfielen und zusammenkamen. Könnten die Untereinheiten dauerhaft miteinander verbunden sein? Die Forscher entwickelten ein neuartiges Designer-Ribosom mit angebundenen Untereinheiten – Ribo-T.

"Was wir letztendlich tun konnten, war zu zeigen, dass wir durch die Schaffung eines manipulierten Ribosoms, bei dem die ribosomale RNA zwischen den beiden Untereinheiten geteilt und durch diese kleinen Haltebänder verbunden ist, tatsächlich ein duales Translationssystem schaffen könnten", sagte Jewett.

„Es war überraschend, dass unsere hybride chimäre RNA den Aufbau eines funktionellen Ribosoms in der Zelle unterstützen konnte. Es war auch überraschend, dass dieses angebundene Ribosom das Wachstum in Abwesenheit von Wildtyp-Ribosomen unterstützen könnte“, sagte er.

Ribo-T funktionierte sogar besser, als Mankin und Jewett es glaubten. Ribo-T stellte nicht nur Proteine ​​in einem Reagenzglas her, es war auch in der Lage, in Bakterienzellen, denen natürliche Ribosomen fehlten, genügend Protein herzustellen, um die Bakterien am Leben zu erhalten.

Jewett und Mankin waren davon überrascht. Wissenschaftler hatten zuvor geglaubt, dass die Fähigkeit der beiden ribosomalen Untereinheiten, sich zu trennen, für die Proteinsynthese erforderlich ist.

"Diese Annahme war offensichtlich falsch", sagte Jewett.

„Unsere neue Fabrik zur Proteinherstellung verspricht eine einzigartige und transformative Erweiterung des genetischen Codes und bietet spannende Möglichkeiten für die synthetische Biologie und das biomolekulare Engineering“, sagte Jewett.

„Dies ist ein spannendes Werkzeug, um ribosomale Funktionen zu erforschen, indem man mit den kritischsten Teilen der Proteinsynthesemaschine experimentiert, die zuvor ‚unberührbar‘ waren“, fügte Mankin hinzu.


Ribosom

Schneller Blick:
Ein Ribosom fungiert als Mikromaschine zur Herstellung von Proteinen. Ribosomen bestehen aus speziellen Proteinen und Nukleinsäuren. Die ÜBERSETZUNG von Informationen und die Verknüpfung von AMINOSÄUREN sind das Herzstück des Proteinproduktionsprozesses.
Ein Ribosom, das aus zwei miteinander verbundenen Untereinheiten gebildet wird, hat folgende Funktionen: (1) Übersetzen kodierter Informationen aus dem Zellkern, die von Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) bereitgestellt werden, (2) Verknüpfen ausgewählter und aus dem Zytoplasma gesammelter Aminosäuren durch Transfer von Ribonukleinsäure ( tRNA). (Die Reihenfolge, in der die Aminosäuren miteinander verknüpft sind, wird durch die mRNA bestimmt) und (3) Exportieren des produzierten Polypeptids in das Zytoplasma, wo es ein funktionelles Protein bildet.

Ribosomen werden im Zytoplasma ‘frei’ gefunden oder an das endoplasmatische Retikulum (ER) gebunden, um raues ER zu bilden. In einer Säugetierzelle kann es bis zu 10 Millionen Ribosomen geben. An denselben mRNA-Strang können mehrere Ribosomen angehängt werden, diese Struktur wird als Polysom ​​bezeichnet. Ribosomen haben nur eine vorübergehende Existenz. Wenn sie ein Polypeptid synthetisiert haben, trennen sich die beiden Untereinheiten und werden entweder wiederverwendet oder aufgebrochen.

Ribosomen können mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute Aminosäuren verbinden. Kleine Proteine ​​können daher relativ schnell hergestellt werden, aber für größere Proteine ​​wie das massive Muskelprotein Titin mit 30.000 Aminosäuren werden zwei bis drei Stunden benötigt.

Ribosomen in Prokaryoten verwenden einen etwas anderen Prozess zur Herstellung von Proteinen als Ribosomen in Eukaryoten. Glücklicherweise bietet dieser Unterschied ein Fenster mit molekularen Möglichkeiten für einen Angriff durch Antibiotika wie Streptomycin. Leider verwenden es auch einige bakterielle Toxine und das Poliovirus, um den Translationsmechanismus anzugreifen.

Für ein Übersichtsdiagramm der Proteinproduktion klicken Sie hier.
(Das Diagramm öffnet sich in einem separaten Fenster)

Dies ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die einen Teil des rauen endoplasmatischen Retikulums in einer Pflanzenwurzelzelle aus Mais zeigt. Die dunklen Flecken sind Ribosomen.

(mit freundlicher Genehmigung von Chris Hawes, The Research School of Biology & Molecular Sciences, Oxford Brookes University, Oxford, UK)

Ein längerer Blick auf Ribosomen:

Ribosomen sind makromolekulare Produktionseinheiten. Sie bestehen aus ribosomalen Proteinen (Riboproteinen) und Ribonukleinsäuren (Ribonukleoproteinen). Das Wort Ribosom entsteht aus der Einnahme vonribo“ aus Ribonukleinsäure und Hinzufügen zu „soma“, das lateinische Wort für Körper. Ribosomen können durch eine oder mehrere Membranen gebunden sein, sind aber nicht membranös.

Ribosom: eine Mikromaschine zur Herstellung von Proteinen
Ein Ribosom ist im Grunde eine sehr komplizierte, aber elegante Mikro-„Maschine“ zur Herstellung von Proteinen. Jedes vollständige Ribosom ist aus zwei Untereinheiten aufgebaut. Ein eukaryotisches Ribosom besteht aus Nukleinsäuren und etwa 80 Proteinen und hat eine Molekülmasse von etwa 4.200.000 Da. Etwa zwei Drittel dieser Masse bestehen aus ribosomaler RNA und ein Drittel aus etwa 50+ verschiedenen ribosomalen Proteinen.

Ribosomen kommen in prokaryontischen und eukaryontischen Zellen in Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien vor. Die in Prokaryoten gefundenen sind im Allgemeinen kleiner als die in Eukaryoten. Ribosomen in Mitochondrien und Chloroplasten haben eine ähnliche Größe wie in Bakterien. Es gibt etwa 10 Milliarden Proteinmoleküle in einer Säugetierzelle und Ribosomen produzieren die meisten davon. Eine schnell wachsende Säugerzelle kann etwa 10 Millionen Ribosomen enthalten. [Eine einzelne Zelle von E. coli enthält etwa 20.000 Ribosomen und dies macht etwa 25 % der gesamten Zellmasse aus].

Die Proteine ​​und Nukleinsäuren, die die Ribosomen-Untereinheiten bilden, werden im Nukleolus hergestellt und durch Kernporen in das Zytoplasma exportiert. Die beiden Untereinheiten sind ungleich groß und existieren in diesem Zustand, bis sie zur Verwendung benötigt werden. Die größere Untereinheit ist etwa doppelt so groß wie die kleinere.

Die größere Untereinheit hat hauptsächlich eine katalytische Funktion, die kleinere Untereinheit hauptsächlich eine dekodierende. In der großen Untereinheit übernimmt ribosomale RNA die Funktion eines Enzyms und wird als Ribozym bezeichnet. Die kleinere Einheit verbindet sich mit mRNA und bindet dann an eine größere Untereinheit. Einmal gebildete Ribosomen sind keine statischen Einheiten. Wenn die Produktion eines bestimmten Proteins beendet ist, trennen sich die beiden Untereinheiten und werden dann normalerweise abgebaut. Ribosomen haben nur eine vorübergehende Existenz.

Manchmal lassen Ribosomen-Untereinheiten mRNA zu, sobald die mRNA aus dem Zellkern austritt. Wenn viele Ribosomen dies tun, wird die Struktur als Polysom ​​bezeichnet. Ribosomen können im Zytoplasma in einem „freien“ Zustand funktionieren, sie können sich aber auch auf dem endoplasmatischen Retikulum „ansiedeln“, um ein „raues endoplasmatisches Retikulum“ zu bilden. Bei rauem endoplasmatischen Retikulum erleichtert die Assoziation zwischen Ribosom und endoplasmatischem Retikulum (ER) die Weiterverarbeitung und Überprüfung neu gebildeter Proteine ​​durch das ER.

Die Proteinfabrik: Standort und Dienstleistungen.

Alle Fabriken benötigen Dienstleistungen wie Gas, Wasser, Abwasser und Kommunikation. Damit diese bereitgestellt werden können, muss ein Standort oder Standort vorhanden sein.

Die Proteinproduktion braucht auch Serviceanforderungen. Eine Stelle, die die Bereitstellung von Diensten erfordert, wird in einer kleinen Ribosomen-Untereinheit erzeugt, wenn ein mRNA-Strang durch einen selektiven Spalt und ein Initiator-tRNA-Strang durch einen anderen eintritt. Diese Aktion bewirkt, dass sich die kleine Untereinheit an eine große Untereinheit des Ribosoms bindet, um ein vollständiges und aktives Ribosom zu bilden. Der erstaunliche Prozess der Proteinproduktion kann jetzt beginnen.

Damit Translation und Proteinsynthese stattfinden können, sind viele Initiator- und Freisetzungschemikalien beteiligt, und es finden viele Reaktionen unter Verwendung von Enzymen statt. Es gibt jedoch allgemeine Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Die folgende Liste zeigt die wichtigsten Anforderungen und wie sie bereitgestellt werden:

  • Erfordernis: Eine sichere (kontaminationsfreie) und geeignete Anlage für den Proteinproduktionsprozess.
  • Bestimmung: diese Einrichtung wird von den beiden ribosomalen Untereinheiten bereitgestellt. Wenn die beiden Untereinheiten zusammenschließen, um das vollständige Ribosom zu bilden, können Moleküle ein- und austreten nur durch selektive Spalten oder Tunnel in der Molekülstruktur.
  • Erfordernis: Ein Informationsangebot in einer Form, die das Ribosom mit hoher Genauigkeit übersetzen kann. Die Translation muss genau sein, damit die richtigen Proteine ​​produziert werden.
  • Bestimmung: Die Informationen werden vom Kern geliefert und in Form eines mRNA-Strangs an das Ribosom geliefert. Wenn mRNA im Kern gebildet wird, werden Introns (nicht kodierende Abschnitte) herausgeschnitten und Exons (kodierende Abschnitte) durch einen Prozess namens Spleißen miteinander verbunden.
  • Erfordernis: Ein Vorrat an Aminosäuren, aus dem der ribosomale Mechanismus die spezifischen benötigten Aminosäuren gewinnen kann.
  • Bestimmung: Aminosäuren, die hauptsächlich über die Nahrung zugeführt werden, sind im Zytoplasma normalerweise frei verfügbar.
  • Erfordernis: Ein System, das eine Aminosäure im Zytoplasma selektieren und daran ankoppeln und sie an die Translations- und Synthesestelle im Ribosom abgeben kann.
  • Bestimmung: Kurze Stränge von Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA), die im Zellkern hergestellt und im Zytoplasma verfügbar sind, fungieren als „Adapterwerkzeuge“. Wenn sich ein tRNA-Strang an eine Aminosäure gebunden hat, wird die tRNA als „geladen“ bezeichnet. tRNA diffundiert in die kleinere Ribosomen-Untereinheit und jeder kurze tRNA-Strang liefert EINER Aminosäure.
  • Erfordernis: Ein Mittel zur Freisetzung in das Zytoplasma: (ein) ein neu gebildetes Polypeptid, (B) mRNA, die beim Translationsprozess verwendet wurde, und (C) tRNA, die die darin enthaltene Aminosäure geliefert hat und nun „ungeladen“ ist.
  • Bereitstellung: (a) Wenn eine neu gebildete Peptidkette tief im Inneren der großen Untereinheit des Ribosoms gebildet wird, wird sie entlang eines Tunnels oder einer Spalte in das Zytoplasma geleitet. (B) „Gebrauchte“ mRNA verlässt die kleinere Ribosomen-Untereinheit durch einen Tunnel auf der dem Eintrittspunkt gegenüberliegenden Seite. Die Bewegung durch das Ribosom wird durch eine nur in eine Richtung gerichtete, intermittierende Bewegung des Ribosoms entlang und in Richtung des ankommenden mRNA-Strangs bewirkt. (C) tRNA im „ungeladenen“ Zustand verlässt über einen Tunnel in der molekularen Architektur der großen Untereinheit des Ribosoms.

Die Proteinfabrik: Was passiert im Inneren?
– Ein Blick auf die Proteinproduktionslinie, die Aminosäuren mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute verbinden kann!

Nachdem wir nun die Voraussetzungen und Vorkehrungen für den Betrieb der Proteinproduktionsmaschine bedacht haben, können wir uns das Innenleben ansehen.

Wie bereits erwähnt, finden viele detaillierte biochemische Reaktionen im Ribosom statt, und hier wird nur ein kurzer Überblick gegeben, um das Konzept zu veranschaulichen.
(Siehe auch „Schema des Ribosoms“ am Ende des Abschnitts)

Im Ribosom gibt es DREI STUFEN und DREI Betriebsstätten, die an der Proteinproduktionslinie beteiligt sind.

Die Drei STUFEN sind (1) Initiierung, (2) Verlängerung und (3) Beendigung.

Die drei operativen oder verbindlichen SEITEN sind A, P und E Lesen von der mRNA-Eintrittsstelle (konventionell die rechte Seite).

Standorte A und P überspannen beide Ribosomen-Untereinheiten, wobei ein größerer Teil in der großen Ribosomen-Untereinheit und ein kleinerer Teil in der kleineren Untereinheit residiert. Standort E, die Austrittsstelle, befindet sich in der großen Ribosomen-Untereinheit.

Tabelle der Bindungsstellen, Positionen und Funktionen in einem Ribosom
(siehe auch schematisches Ribosom am Ende des Abschnitts)

Bindungsseite

Eintrittsstelle des mRNA-Strangs

Biologischer Begriff

Hauptprozesse

Aufnahme des Codons der mRNA und des „geladenen“ Strangs der tRNA. Überprüfung und Dekodierung und Beginn der „Übergabe“ eines Aminosäuremoleküls

Peptidsynthese, Konsolidierung, Verlängerung und Übertragung der Peptidkette an die Stelle A

SiTe E

Vorbereitung „ungeladener“ tRNA für den Austritt

Die drei Phasen:

  1. Einleitung. Während dieser Phase verbindet sich eine kleine Ribosomen-Untereinheit mit dem „Startende“ eines mRNA-Strangs. Auch die „Initiator-tRNA“ dringt in die kleine Untereinheit ein. Dieser Komplex verbindet sich dann mit einer großen Untereinheit des Ribosoms. Am Anfang des mRNA-Strangs steht die Nachricht „Start Translation“ und ein mit einer bestimmten Aminosäure „beladener“ tRNA-Strang tritt ein Standort A des Ribosoms. Die Produktion eines Polypeptids wurde nun eingeleitet. Damit die tRNA nicht abgewiesen werden kann, muss die Drei-Buchstaben-Codegruppe, die sie trägt (als Anti-Codon bezeichnet), mit der Drei-Buchstaben-Codegruppe (als Codon bezeichnet) bereits auf dem mRNA-Strang übereinstimmen im Ribosom. Dies ist ein sehr wichtiger Teil der Übersetzung und es ist überraschend, wie wenig „Übersetzungsfehler“ auftreten. [Im Allgemeinen wird die bestimmte Aminosäure, die es trägt, durch das Drei-Buchstaben-Anticodon bestimmt, das es trägt, z.B. wenn der Drei-Buchstaben-Code CAG ist (CYtosin, EINdenin, gUanin), dann selektiert und transportiert es die Aminosäure Glutamin (Gln)].
  1. Verlängerung.Dieser Begriff umfasst den Zeitraum zwischen Initiierung und Beendigung und während dieser Zeit wird der Hauptteil des bezeichneten Proteins hergestellt. Der Prozess besteht aus einer Reihe von Zyklen, deren Gesamtzahl durch die mRNA bestimmt wird. Eines der Hauptereignisse während der Dehnung ist Translokation. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA um eine Codon-Kerbe und ein neuer Zyklus beginnt Website P (siehe Schema des Ribosoms am Ende des Abschnitts) und das Ribosom wird in Standort A, eine neue tRNA „geladen“ mit einer Aminosäure. Die „geladene“ tRNA befindet sich in Standort A bis es überprüft und akzeptiert (oder abgelehnt) wurde und bis die wachsende Peptidkette an die tRNA in Standort P, wurde von Enzymen auf die „geladene“ tRNA in Standort A. Hier wird eine neue Aminosäure von der tRNA gespendet und an die Peptidkette angehängt. Durch diesen Vorgang wird die Peptidkette in Schritten von einer Aminosäure verlängert. [Die Bildung der Peptidbindung zwischen der wachsenden Peptidkette und der neu aufgenommenen Aminosäure wird durch die Peptidyltransferase unterstützt und findet in der großen Ribosomen-Untereinheit statt. Die Reaktion findet zwischen der tRNA statt, die die entstehende Peptidkette trägt, Peptidyl-tRNA und der tRNA, die die eingehende Aminosäure, die Aminoacyl-tRNA, trägt]. Wenn dies geschehen ist, wird die tRNA in Standort P, nachdem er seine Peptidkette übertragen hat und jetzt ohne Anhänge ist, wird nach verschoben Standort E die Austrittsstelle. Als nächstes wird die tRNA in Standort A, komplett mit einer um eine Aminosäure verlängerten Peptidkette, bewegt sich nach Website P. In Website P Riboproteine ​​wirken, um die Bindung der Peptidkette an die neu hinzugefügte Aminosäure zu festigen. Wenn die Peptidkette lang ist, wird der älteste Teil in das Zytoplasma verschoben, gefolgt vom Rest der Kette, während er produziert wird.Der nächste Zyklus
    Mit Standort A jetzt leer Translokation stattfinden. Das Ribosom bewegt sich um eine Distanz von einer (drei Buchstaben) Codon-Kerbe entlang der mRNA, um ein neues Codon in den Verarbeitungsbereich zu bringen. tRNA, die mit einer angehängten Aminosäure „geladen“ ist, tritt jetzt ein Standort A, und vorausgesetzt, dass eine zufriedenstellende Übereinstimmung des mRNA-Codons und des tRNA-Anti-Codons hergestellt wird, beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis eine Beendigungsstufe erreicht ist.
  2. Beendigung. Wenn das Ribosom das Ende des mRNA-Strangs erreicht, wird eine terminale oder „Ende des Proteincodes“-Nachricht angezeigt. Dies registriert das Ende der Produktion für das jeweilige Protein, für das dieser mRNA-Strang kodiert. „Release-Faktor“-Chemikalien verhindern weitere Aminosäurezugaben, und das neue Protein (Polypeptid) wird durch eine Spalte in der großen Untereinheit vollständig in das Zytoplasma transportiert. Die beiden Ribosomen-Untereinheiten lösen sich, trennen sich und werden wiederverwendet oder abgebaut.

  • Fast alle von Zellen benötigten Proteine ​​werden von Ribosomen synthetisiert. Ribosomen werden im Zellzytoplasma „frei“ gefunden und auch an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden.
  • Ribosomen erhalten Informationen aus dem Zellkern und Baustoffe aus dem Zytoplasma.
  • Ribosomen Übersetzen Informationen, die in Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) kodiert sind.
  • Sie Verknüpfung spezifische Aminosäuren zu Polypeptiden zusammen und exportieren diese in das Zytoplasma.
  • Eine Säugetierzelle kann bis zu 10 Millionen Ribosomen enthalten, aber jedes Ribosom existiert nur vorübergehend.
  • Ribosomen können Aminosäuren mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute verbinden.
  • Ribosomen entstehen durch das Einrasten einer kleinen Untereinheit an eine große Untereinheit. Die Untereinheiten sind normalerweise im Zytoplasma vorhanden, wobei die größere etwa doppelt so groß ist wie die kleinere.
  • Jedes Ribosom ist ein Komplex von Ribonukleoproteinen, wobei zwei Drittel seiner Masse aus ribosomaler RNA und etwa einem Drittel aus ribosomalem Protein bestehen.
  • Die Proteinproduktion erfolgt in drei Stufen: (1) Einleitung, (2) Verlängerung, und (3) Beendigung.
  • Während der Peptidproduktion bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA in einem intermittierenden Prozess namens Translokation.
  • Antibiotika wie Streptomycin können verwendet werden, um den Translationsmechanismus in Prokaryonten anzugreifen. Dies ist sehr nützlich. Leider können dies auch einige bakterielle Toxine und Viren.
  • Nachdem sie das Ribosom verlassen haben, sind die meisten Proteine ​​gefaltet oder in irgendeiner Weise modifiziert. Dies wird als „posttranslationale Modifikation“ bezeichnet.

Ein Übersichtsdiagramm der Proteinproduktion, einschließlich eines Hinweises zur Proteinmodifikation.


Die regulierende Hand bei der Ribosomenbildung

Auch Ribosomen, die ein festes genetisches Programm zur Herstellung von Zellproteinen verwenden, bilden sich nach einem strengen hierarchischen Plan. In einem interdisziplinären Ansatz haben die Forschungsteams von Prof. Dr. Ed Hurt vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH) und Prof. Dr. Andreacute Hoelz vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena (USA) den Mechanismus entschlüsselt, der regelt diesen Vorgang. Sie entdeckten ein bisher unbekanntes Protein, das die Prozesse im Zellkern reguliert, die es der Zelle ermöglichen, ribosomale Proteine ​​in der richtigen Reihenfolge in das sich entwickelnde Präribosom einzubauen. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden online in "Molecular Cell" veröffentlicht.

Ribosomen sind komplex strukturierte zelluläre Nanomaschinen, die aus vier Ribonukleinsäuren und etwa 80 verschiedenen ribosomalen Proteinen (r-Proteinen) bestehen. Sie sind für die Synthese von Proteinketten verantwortlich. „Die richtige ribosomale Bildung ist bei der Zellteilung und Vermehrung von elementarer Bedeutung. Ihr Aufbau ist hochkomplex, weil alle ribosomalen Proteine ​​in einer strikten Reihenfolge an das sich entwickelnde Prä-Ribosom angelagert werden, wobei etwa 200 Helferproteine ​​dabei helfen“, sagt Ed Hurt .

Bei Eukaryoten werden vor allem im Zellkern neue Ribosomen gebildet. Die für ihre Bildung benötigten r-Proteine ​​müssen vom Zellplasma zu der Stelle im Zellkern wandern, an der die Ribosomen hergestellt werden, dem sogenannten Nucleolus. Bisher wussten die Wissenschaftler nur, dass r-Proteine ​​in das sich neu bildende Ribosom nach einer strengen Hierarchie eingebaut wurden – r-Protein B kommt nach r-Protein A und so weiter. "But the question of how the strict sequence is ensured and who is responsible remained largely unanswered," explains Prof. Hurt.

The researchers have now been able to demonstrate that the newly discovered protein, called the assembly chaperone of L4 or Acl4, regulates the orderly integration of ribosomal protein L4 into the early pre-ribosome. "This employs a well-known everyday concept, like an usher holding a seat open until the correct occupant arrives," explains the researcher.

Using new investigative procedures, the two primary authors of the publication, Dr. Philipp Stelter of the BZH and Ferdinand Huber of Caltech, were able to decode the detection mechanism between the L4 r-protein and the developing ribosome. According to the researchers, the underlying basis is a eukaryote-specific extension of the L4 ribosomal protein that comes into contact with the surface of the ribosome and is released for assembly by the Acl4 helper protein. If these interactions are hindered by insufficient production of the r-protein or an error in the growing ribosome, the helper protein remains bound and prevents the development of a faulty ribosome.

The collaboration between the researchers of the Heidelberg University Biochemistry Center and the California Institute of Technology offered an opportunity to combine traditional and newly developed methods in cellular biology, biochemistry and biophysics. "This was pivotal for the detailed characterisation of the newly discovered mechanisms and the participating components," emphasises Ed Hurt.


Alert to biologists: Ribosomes can translate 'untranslated region' of messenger RNA

In what appears to be an unexpected challenge to a long-accepted fact of biology, Johns Hopkins researchers say they have found that ribosomes -- the molecular machines in all cells that build proteins -- can sometimes do so even within the so-called untranslated regions of the ribbons of genetic material known as messenger RNA (mRNA).

"This is an exciting find that generates a whole new set of questions for researchers," says Rachel Green, Ph.D., a Howard Hughes Medical Institute investigator and professor of molecular biology and genetics at the Johns Hopkins University School of Medicine. Chief among them, she adds, is whether the proteins made in this unusual way have useful or damaging functions and under what conditions, questions that have the potential to further our understanding of cancer cell growth and how cells respond to stress.

In a summary of the findings in yeast cells, to be published Aug. 13 in the journal Zelle, Green and her team report that the atypical protein-making happens when ribosomes fail to get "recycled" when they reach the "stop" signal in the mRNA. For reasons not yet understood, Green says, "rogue" ribosomes restart without a "start" signal and make small proteins whose functions are unknown.

Ribosomes are made out of specialized RNA molecules (DNA's chemical cousin) that work together with proteins to read instruction-bearing mRNAs and "translate" their message to create proteins. Each mRNA begins with a "start" code, followed by the blueprint for a specific protein, followed by a "stop" code. And then there's a segment of code that has always been called the "untranslated region," because scientists never saw it translated into protein.

But no longer, according to Green and postdoctoral fellow Nicholas Guydosh, Ph.D., who, along with a team at the National Institute of Child Health and Human Development, began the project out of curiosity about a yeast protein called Rli1.

Previous studies had shown that Rli1 can split ribosomes into their two component parts once they encounter a stop code and are no longer needed. This "recycling" process, they say, disengages a ribosome from its current mRNA molecule so that it's available to translate another one. But it was unclear whether Rli1 behaved the same way in live cells.

To find out, the researchers deprived living yeast cells of Rli1, predicting that translation would slow down as ribosomes piled up at stop codes. To "see" where the ribosomes were, the team added an enzyme to the cells that would chew up any exposed RNA. The RNA bound by ribosomes would be protected and could then be isolated and identified. As predicted, the depletion of Rli1 increased the number of ribosomes sitting on stop codes. But they also saw evidence of ribosomes sitting in the untranslated region, which they called a surprise.

To find out if the ribosomes were actually reading from the untranslated region to create proteins, the team inserted genetic code in that region for a protein whose quantity they could easily measure. Cells with Rli1 didn't make the protein, but cells missing Rli1 did, proving that their ribosomes were indeed active in the untranslated region.

Further experiments showed that the ribosomes weren't just continuing translation past the stop code to create an extra-long protein. They first released the regularly coded protein as usual and then began translation again nearby.

"It seems like the ribosomes get tired of waiting to be disassembled and decide to get back to work," says Guydosh. "The protein-making work that appears right in front of them is in the untranslated region."

As noted, the purpose of these many small proteins is unknown, but Green says one possibility stems from the fact that ribosomes increase in the untranslated region when yeast are stressed by a lack of food. "It's possible that these small proteins actually help the yeast respond to starvation, but that's just a guess," she says.

Because ribosomes are essential to create new proteins and cell growth, Green notes, scientists believe the rate at which cells replicate is determined, at least in part, by how many ribosomes they have. Cells lacking Rli1 can't grow because their ribosomes are all occupied at stop codes and in untranslated regions. Thus cancer cells increase their levels of Rli1 in order to grow rapidly.

"We didn't understand previously how important ribosome recycling is for the proper translation of mRNA," says Green. "Without it, ribosomes are distracted from their usual work, which is crucial for normal cell maintenance and growth. This finding opens up questions we didn't even know to ask before."


Schau das Video: Ribosomen - Translation, Aufbau u0026 Funktion. Studyflix (Januar 2022).