Ribosomen: voorkomen, distributie, structuur, typen, chemische samenstelling en functies

Ribosomen: voorkomen, distributie, structuur, typen, chemische samenstelling en functies!

Ribosomen zijn de basofiele korrels die aanwezig zijn in het cytoplasma van de cel. Omdat dit materiaal een affiniteit had voor basiskleuren vergelijkbaar met die van chromatine korrels van de kern, werd het voor een tijd chromidiale of chromofiele stof genoemd.

De ribosomen werden voor het eerst genoteerd in plantencellen door Robinson en Brown in 1953 tijdens het bestuderen van bonenwortels met de elektronenmicroscoop en kort daarna Palade (1955) observeerde ze in dierlijke cellen. Hij isoleerde de ribosomen en detecteerde het RNA erin, vandaar ook RNP- of ribonucleoproteïnedeeltjes of Palade-korrels. Claude noemde ze als microsoom, maar de naam ribosoom werd in 1958 door Robert aangewezen.

Voorkomen:

Ze zijn universeel verspreid door het dierenrijk en het plantenrijk. Prokaryoten ook, ze worden gevonden. De enige celtypen zonder ribosomen zijn de RBC van zoogdieren. De dichtheid van ribosomen per oppervlakte-eenheid is vrij constant voor elk gegeven type. Het zit hoog in de cellen die actieve m-eiwitsynthese zijn en laag in cellen waar de eiwitsynthese laag is.

Distributie:

In prokaryote cellen komen de ribosomen vaak vrij in het cytoplasma voor. In eukaryotische cellen komen de ribosomen ofwel vrij in het cytoplasma voor of blijven ze gehecht aan het buitenoppervlak van het membraan van endoplasmatisch reticulum (ER).

Wanneer ze niet aan de ER zijn gehecht, worden ze gratis ribosomen genoemd. Vrije ribosomen dienen als plaatsen voor de synthese van eiwitten die vereist zijn om de enzymconstitutie van de cytoplasmatische matrix te handhaven.

Isolatiemethode:

De ribosomen worden gewoonlijk uit de cel geïsoleerd door de differentiële centrifugatiewerkwijze waarbij een analytische centrifuge wordt gebruikt. De sedimentatiecoëfficiënt van de ribosomen wordt bepaald door de verschillende optische en elektronische technieken. De sedimentatiecoëfficiënt wordt uitgedrukt in de Svedberg-eenheid, bijvoorbeeld 'S'-eenheid. De S is gerelateerd aan de grootte en het molecuulgewicht van de ribosomale deeltjes.

Aantal en concentratie van ribosomen:

In alle cellen die endoplasmatisch reticulum bevatten, kan een goed aantal ribosomen worden waargenomen. Bijvoorbeeld, aan de basis van kliercellen, in plasma en levercellen, in alle snelgroeiende planten- en dierencellen en in bacteriën, kan de hoeveelheid ribonucleïnezuur (RNA) in verband worden gebracht met de concentratie van ribosoom.

In reticulocyten van konijn worden bijna 100 ribosomen per μ3 gevonden, wat overeenkomt met 1 x 105 deeltjes per reticulocyt en ongeveer. 5% van het totale volume van de celmassa, of ongeveer 20.000 tot 30.000 per cel. Als de snelheid van eiwitsynthese echter wordt vertraagd door ongunstige voedingsomstandigheden, kan het aantal ribosomen aanzienlijk dalen in eiwitsynthetiserende cellen en in bacteriën.

Structuur van Ribosomes:

Ribosomen zijn opmerkelijk vanwege hun uniformiteit in grootte en samenstelling door het brede bereik van cellen waarin ze zijn bestudeerd. Ribosomen van hogere planten en dieren zijn oblaten, sferoïden en hun diameter is ongeveer 250 A °.

De ribosomen van bacteriën zijn echter wat kleiner, omdat ze minder hoeveelheden eiwitten bevatten dan de ribosomen van het hogere dier. In hoeveelheid RNA per deeltje lijken bacteriële ribosomen echter op alle andere momenteel bestudeerde ribosomen.

In de elektronenmicroscopische studies onthult negatieve kleuring een kloof die de ribosomen verdeelt in een grotere subeenheid en een kleinere subeenheid. In E. coli is het grotere deeltje enigszins 'bekervormig' of koepelvormig (140 tot 160 A °) en kleiner is een 'kap' (90 tot 110 A °) die op het platte oppervlak van de andere wordt aangebracht (Huxley en Zubey 1960). Bij hogere dieren en planten werd aangetoond dat de ribosomen door de grote subeenheden aan endoplasmatisch reticulum zijn gehecht.

De fijne structuur van het ribosoom is zeer complex en nog niet volledig opgehelderd. Omdat de ribosomen zeer poreus en gehydrateerd zijn, zijn het RNA en eiwit waarschijnlijk verweven in de twee subeenheden, in coupes, gekleurd met uranyl-ionen (selectieve RNA-kleuring), elk ribosoom verschijnt als een stervormig lichaam met vier tot zes armen geïmplanteerd op een dichte as. De geïsoleerde 50S-subeenheid van Bacillus-ondertitels verschijnt als een compact deeltje van 160 tot 180A ° met een vijfhoekig vlak, in het midden waarvan een rond gebied van 40 tot 60 A ° (Nanninga, 1967) is.

Een elektronen transparante kern, die negatief gekleurd is in ribosomen correspondeert met een elektronen ondoorzichtig gebied, is beschreven in de grote submits. De 40S-subeenheid is niet regelmatig en heeft de neiging om te worden onderverdeeld in twee gedeelten die onderling verbonden zijn door een streng met een dikte van 30 tot 60A °.

Ribosomal-subeenheid:

Een andere eigenschap die gemeenschappelijk is voor alle ribosomen in hun subeenheidstructuur en hun sedimentatieconstante door ultracentrifugatie. Op basis van sedimentatieconstante zijn er twee hoofdtypen ribosomen.

Die van bacteriën hebben meestal een coëfficiënt van 70S (Svedberg-eenheid) overeenkomend met een molecuulgewicht van 2, 7x106. De andere zijn de ribosomen van eukaryoot (genucleëerde cellen, hetzij plant hetzij dier), dergelijke ribosomen bezitten een sedimentatieconstante van 80S met een molecuulgewicht van ongeveer 4 x 106 dalton.

De twee bovengenoemde (cup en cap) structurele subeenheden van ribosomen vereisen een lage concentratie van Mg ⁺⁺ ionen (0, 001 M) voor structurele cohesie. De ribosomen kunnen worden gereinigd door verwijdering van Mg ⁺⁺ ionen om twee kleinere deeltjes één 2/3 en ander 1/3 van de massa van het oorspronkelijke intacte ribosoom op te leveren. Eigenlijk zijn het niets anders dan dezelfde subeenheden die worden waargenomen met behulp van een elektronenmicroscoop.

Deze subeenheden worden aangeduid door hun sedimentatieconstanten. De ene eenheid van ribosoom bezit een sedimentatieconstante van 80S of 70S zoals eerder vermeld, terwijl de 2/3 subeenheid een sedimentatieconstante van respectievelijk 60S of 50S en de 1/3 subeenheid 40S of 30S heeft. Beide subeenheden worden samengebonden door magnesiumionen die een interactie aangaan met de fosfodiestergroepen van RNA.

Het volledig magnesiumverzadigde deeltje bevat Mg ⁺⁺ ionen per drie fosfodiestergroepen. Verwijdering van berekend 1/3 van deze magnesiumionen resulteert in splitsing van de 80S tot 60S en 40S (subeenheden).

Verwijdering van verder Mg ⁺⁺ resulteert in het geval van erwten- en gistribosomen, ten minste bij verdere splitsing, wat een schijnbaar 1/6 subeenheid vrijmaakt. Deze verdere splitsing, in tegenstelling tot die van 2/3 en 1/3 subeenheden, is echter onomkeerbaar in de zin dat het herstel van magnesiumionen niet resulteert in het herstel van 80S-deeltjes.

Als de Mg ⁺⁺ concentratie tienmaal verhoogd is, combineren twee ribosomen om een ​​"dimeer" te vormen met tweemaal het molecuulgewicht van de afzonderlijke ribosomen. Het dimeer kan terug worden geconvergeerd in twee ribosomen door de Mg ⁺⁺ concentratie te verlagen.

De vroege elektronenmicroscopische waarnemingen van celdelingen bracht aan het licht dat ribosomen vaak geassocieerd waren in groepen die af en toe een terugkerend patroon vormden. Het duurde tot 1962 voordat de functie van deze polyribosomen of polysomen in eiwitsynthese werd ontdekt (Warner en Rich, 1962).

Na behandeling van reticulocyten met ^C14- gemerkte aminozuren en met behulp van zachte methoden voor disruptie, werd gevonden dat naast de typische sedimentatieconstante van enkel ribosoom (80S) enkele grotere eenheden aanwezig waren.

De sedimentatieconstante van deze deeltjes varieert van 108S tot 170S of zelfs meer; dit correspondeerde met polyribosoom van vijf eenheden (een pentameer). Het werd bevestigd door elektronenmicroscopie dat ongeveer 75% van de ribosomen die 170S piek vertoonden werden gepresenteerd als pentameren.

Een dun filament, geïnterpreteerd als in mRNA, ongeveer 150 A °. Het aantal ribosomen in polyribosomen kan aanzienlijk variëren en lijkt verband te houden met de lengte van het mRNA dat moet worden 'gelezen' in het vertaalproces.

In E. coli en in cellen van kippenembryo zijn polyribosomen van ongeveer 50 eenheden waargenomen {Rich 1967). Polyribosomen kunnen vrij zijn in het cytoplasma of gebonden aan de membranen van het endoplasmatisch reticulum.

Voor vrije polyribosomen is een spiraalvormige configuratie gepostuleerd met de kleine subeenheden die rond de centrale as zijn gerangschikt en de grote subeenheden die aan de omtrek zijn geplaatst. In secties van verschillende cellen zijn polyribosomen din-helix-array waargenomen (Weiss en Grover, 1968). Er wordt aangenomen dat in het polysoom het mRNA zich bevindt tussen de twee subeenheden van het ribosoom.

Typen ribosomen :

De ribosomen zijn van twee basistypen, 70S en 80S ribosomen. S verwijst dus naar Svedberg-eenheden. Eigenlijk is het de sedimentatiecoëfficiënt die laat zien hoe snel organelle-sedimenten in een ultracentrifuge zijn. Sedimentatiecoëfficiënten zijn niet additief.

80S-ribosomen worden aangetroffen in eukaryoten (organismen waarvan de cellen echte nuclei hebben die worden begrensd door nucleaire enveloppen) bijv. Algen, schimmels, hogere planten en dieren. Het 80S-ribosoom van dieren bestaat uit een grote 60S-subeenheid en een kleine 40S-subeenheid.

70S-ribosomen zijn relatief kleiner en worden aangetroffen in prokaryoten (organismen waarvan het DNA niet wordt begrensd door een nucleaire envelop), bijvoorbeeld bacteriën. Het 70S-ribosoom bestaat uit een grote 50S-subeenheid en een kleine 30S-subeenheid.

Ribosomen die worden gevonden in mitochondriën en chloroplasten van eukaryoten liggen dichter bij prokaryote ribosomen dan bij de 80S eukaryote ribosomen. Vertebrate mitochondriën bevatten bijvoorbeeld 55S-ribosomen, elk met een grote 40S-subeenheid en een kleine 30S-subeenheid. De sedimentatiecoëfficiënten 80S, 70S en 55S zijn afgeronde waarden. Werkelijke S-waarden in verschillende organismen kunnen iets hoger of lager zijn.

Chemische samenstelling :

De hoofdbestanddelen van ribosomen zijn RNA en eiwitten. De lipiden zijn volledig afwezig of aanwezig in sporen. De ribosomen van E. coli bezitten bijna 60-65% RNA en 35-40% eiwit van hun gewicht. Tabel 6.3 toont de geschatte hoeveelheid RNA en eiwit in verschillende soorten ribosomen.

Ribosomaal RNA verschilt in grootte en basische inhoud van tRNA en van andere RNA-klassen van de meeste cellen. Twee soorten RNA's worden gevonden in alle ribosomen. Ze zijn een integraal onderdeel en kunnen niet eenvoudig worden verwijderd. RNA van rattenleverdeeltjes bevatten voornamelijk de gemeenschappelijke basen adenine, guanine, cytosine en uracil met een kleine hoeveelheid pseudouridine, de gebruikelijke basen die in het oplosbare RNA voorkomen, worden slechts in zeer kleine hoeveelheid in deeltjes RNA gevonden.

Tabel 6.2 Verschillen tussen 70 en Ribosomen:

Aninozuren:

De aminozuursamenstelling van in trichloorazijnzuur onoplosbaar eiwit van RNP van rattenlever is bepaald door Crompton en Petermann (1959). Aromatische en zwavelbevattende aminozuren waren in een zeer kleine hoeveelheid aanwezig, terwijl leusine en arginine hoog waren boven 10%. De samenstelling van zowel konijnenreticulocyten en erwtenzaailingen-RNP's zijn opmerkelijk vergelijkbaar.

Een zoutzuurextract van gedeeltelijk gezuiverd RNP met levende rat heeft arginine opgeleverd (Butter, 1960), maar of deze aminozuren zijn afgeleid van de eiwitten zelf, is nog niet vastgesteld.

Eiwit:

Eiwitten bevatten een lineaire keten van aminozuren. De vergelijkbare ribosomesamenstelling van aminozuren van ribosomaal eiwit is opmerkelijk van verschillende oorsprong en kan behoorlijk verschillen van die van het eiwit gevormd door het ribosoom.

Daarom is het gebruikelijk om onderscheid te maken tussen ribosomaal structureel proteïne, de groeiende peptideketen van enzym dat productie door het ribosoom ondergaat dat proteïne door ribosomaal RNA wordt geassocieerd door waterstofbinding is duidelijk uit het feit dat dissociatie van de twee snel en gemakkelijk wordt bewerkstelligd door reagentia die waterstofbindingen aanvallen zoals bijvoorbeeld guanidiumbromide.

Experimenten zijn gedaan door Yin en Bock (1960), die een stabiel gist-ribosomaal eiwit hebben verkregen. Watson (1960) kreeg het eiwit van E.coli en geeft door analyse van een dergelijke groep aan dat het molecuulgewicht van elk van de subeenheden ongeveer 30.000 is.

Ribosomale enzymatische eiwitten:

De meeste van de ribosomale eiwitten werken als enzymen waardoor de eiwitsynthese wordt gekatalyseerd. Initiatie-eiwitten IF 1, IF2 en 1F3 initiëren het proces van eiwitsynthese, terwijl overdrachteiwitten (G-factor, Ts-factor) helpen bij translocatie van ribosomen over mRNA en overdracht van t-RNA-residu van één plaats van het ribosoom naar de andere plaats .

Een ander enzym peptidy1 transferees helpt bij de transformatie van peptideketens naar aminoacyl-tRNA en andere enzymen-terminatie van voltooide polypeptideketen.

Als resultaat van het wassen van ribosomen met NH4CI en ze onderworpen aan kolomchromatografie, isoleerden Ochoa en medewerkers (1960) boven factoren in eiwitsynthese. Onder hen zijn drie initiatiefactoren - IF1, IF2 en IF3 - los geassocieerd met de 30S-subeenheid. IF1-factor is een basisch eiwit met een molecuulgewicht van 9200 dalton.

Het is betrokken bij de binding van F-met-tRNA. IF2-factor is ook een eiwit van mol. gew. 8000 dalton en bevat SH-groepen die helpen bij binding met GTP. Derde eiwitfactor-IF3 vereist geen GTP en is betrokken bij bindend mRNA aan 30S-subeenheden.

Het is een basisch eiwit met een molecuulgewicht van 30.000 dalton. IF3 kan ook als dissociatiefactor voor 70S-ribosomen werken. Ochoa et al. (1972) hebben verder interferentiefactor (i) in bacteriën E. coli gerapporteerd. Deze factoren binden aan de IF3-factor, veranderen de specificiteit ervan en reguleren zo de vertaling van het genetische bericht aan het begin.

Verlengingsfactoren zijn essentieel voor de verlenging van de polypeptideketen. Dit zijn EFG (ook wel G-factor of translocase genoemd) en EFT-factor. Zoals eerder beschreven, is de EFG- of G-factor betrokken bij de transloactie van mRNA. In E. coli bestaat het uit een enkele polypeptideketen met mol. gew. van 72, 00 dalton. EFG + GTP bevordert de translocatie van nieuw langgerekt peptidyl-tRNA.

Een andere EFT-factor heeft twee soorten eiwitten, namelijk Tu (temperatuuronafhankelijk) en Ts (temperatuurstabiel). De EFTu-factor + GTP vormt complex aminoacyl-tRNA voordat de binding ervan aan de acceptorplaats van ribosoom wordt gekatalyseerd door de Ts-factor. Bovendien heeft 50S-ribosomale subeenheid een enzym-peptidesynthetase of peptidyltransferase dat is geassocieerd bij de vorming van peptidebinding. Beëindigingsfactoren R1 en R2 zijn eiwitten die helpen bij het vrijmaken van de polypeptideketen.

Biogenese van Ribosomes:

De biogenese van ribosomen in bacteriële prokaryotische cellen vindt plaats in het cytoplasma vanwege de afwezigheid van nucleolus. De rRNA's zijn afkomstig van de specifieke codons van het genoom of het ribosomale DNA (rDNA).

In eukaryotische cellen is het proces van biogenese van ribosomen gecompliceerd en vindt plaats binnen de nucleolus. Eén van de chromosomen van een set heeft een specifiek nucleolair organizergebied, dat een nucleolair RNA-molecuul bevat dat een voorloper is van zowel 28S- als 18S-rRNA. Het proces van omzetting van 45S-RNA in 28S en 18S rRNA wordt hieronder geïllustreerd:

45S nucleolaire RNA-moleculen zijn gemethyleerd (-CH, groep is toegevoegd). Deze gemethyleerde moleculen van 45S nucleolair RNA worden geassocieerd met de noodzakelijke eiwitten die aanwezig zijn in de nucleolus die 80S ribonucoprotine molecuuldeeltjes (RNP) vormt. Deze 80S RNP met 45S moleculair RNA splitste zich in 32S en 18S rRNA door verschillende tussenstappen, waardoor het niet-gemethyleerde deel van de moleculen verloren ging. 18S-molecuul samen met zijn eiwitmoleculen onmiddellijk naar het cytoplasma getransporteerd. Het 32S-rRNA blijft gedurende enige tijd inwendig de nucleolus en wordt gesplitst in 28S-rRNA.

Het 5S rRNA wordt gesynthetiseerd buiten de nucleolus en de genen liggen grenzend aan het nucleolaire organizergebied van het chromosoom.

Het 18S-rRNA verlaat samen met zijn eiwitten de kern via de nucleoporie en komt uit in het cytoplasma, waar het zich in associatie met eiwitten in de kleine subeenheid (40S) van het ribosoom verzamelt. Het 28S-rRNA verlaat ook de kern en wordt opgenomen met 5S-rRNA en de eiwitten vormen een 60S-subeenheid.

De synthese van ribosomaal eiwit gebeurt gedeeltelijk in de nucleolus en gedeeltelijk in het cytoplasma. De eiwitten gesynthetiseerd in het cytoplasma assembleren in de nucleolus om te worden gebruikt in ribonucleoproteïnemoleculedeeltjes (RNP).

Ribosomaal RNA :

De 70S-ribosomen bevatten drie soorten rRNA, namelijk 23S rRNA, 16S rRNA en 5S rRNA. Het 23S en 5S rRNA komen voor in de grotere 50S ribosomale subeenheid, terwijl het 16S rRNA voorkomt in de kleinere 30S ribosomale subeenheid. Het 23S-rRNA bestaat uit 3200 nucleotiden, 16S-rRNA bevat 1600 nucleotiden en 5S-rRNA omvat 120 nucleotiden erin (Brownlee, 1968, Fellner, 1972).

De 80S-ribosomen bevatten ook drie soorten rRNA, namelijk 28S rRNA, 18S rRNA en 5S rRNA. Het 28S- en 5S-rRNA komen voor in de grotere 60S-ribosomale subeenheid, terwijl het 18S-rRNA voorkomt in de kleinere 40S-ribosomale subeenheid.

Het 28S rRNA heeft het moleculaire gewicht van 1, 6 x 106 dalton en het molecuul ervan is dubbelstrengig en heeft stikstofbasen in paren. Het 18S-rRNA heeft het molecuulgewicht 0, 6 * 106 dalton. Het molecuul van 5S-rRNA heeft de vorm van een klaverblad en een lengte gelijk aan 120 nucleotiden (Forget en Weissmann, 1968).

Andere bestanddelen :

De metaalinhoud van ribosomen is ook een moeilijke vraag. Er is weinig twijfel dat magnesium fysiologisch het belangrijkste ion is, omdat het in hoge concentraties aanwezig is in rattenlever-ribosomen. Het is het meest actief in het handhaven van de 80S-structuur (Hamilton en Petermann, 1959), omdat het essentieel is voor de opname van aminozuren in vitro (Rendi en Hultin, 1960). De andere metalen die in de ribosomen aanwezig zijn, zijn chroom, mangaan, nikkel, ijzer en calcium (Walker en Valle, 1958; Tso 1958).

Functie van Ribosomes :

Het is een bekend feit dat de ribosomen fabrieken zijn voor de productie van eiwit in een cel, maar in werkelijkheid kan één ribosoom niet deelnemen aan de eiwitsynthese. Het was bekend vanaf 1962 toen & rapport werd gepubliceerd waaruit bleek dat actieve eenheden geen individueel ribosoom zijn, maar een groep van deze eenheden, die als polyribosoom wordt genoemd. Een gedetailleerde rol van polyribosome werd gepubliceerd in Scientific American december 1963 door Gric en Hall. Er is veel bewijs - dat ribosomen hetzelfde zijn en op zijn minst uitwisselbaar zijn.

In het geval van hemoglobine met een keten van 150 aminozuren is het meest gebruikelijke aantal ribosomen en maximaal 40 ribosomen beschreven. Dus de naam polysoom kan ook worden toegepast op de plaats van polyribosome. Eiwit bestaat uit een lineaire keten van aminozuren. De keten kan kort of lang zijn, in beide gevallen wordt het polypeptideketen genoemd. Polypeptide kan op een specifieke manier worden gevouwen, vaak gecombineerd om een ​​complex eiwit te vormen.

De ribosomen in een polysoom worden gescheiden door een tussenruimte van 50-150A ⁰ . Positieve staning door Uracil-acetaat onthult dat de ribosomen verbonden zijn door een dunne draad met een diameter van 10-15A ⁰, die ongeveer de dikte van een enkele streng RNA is. Van de grootte van de opening tussen ribosomen is de totale meting van de opening die vijf ribosomen bevat, ongeveer 1500A ⁰, de vijf ribosomen hebben een inter-ribosomale tussenruimte van 50-150A ° elk.