Ribosome

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Ribosome là một bộ máy phân tử lớn và phức tạp, có mặt trong tất cả các tế bào sống, nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp protein. Ribosome liên kết axit amin với nhau theo thứ tự được quy định bởi phân tử RNA thông tin (mRNA). Ribosome bao gồm hai tiểu đơn vị chính - tiểu đơn vị ribosome nhỏ đọc mRNA, trong khi tiểu đơn vị lớn liên kết các axit amin để tạo thành một chuỗi polypeptide. Mỗi tiểu đơn vị gồm một hoặc nhiều phân tử RNA ribosome (rRNA) và nhiều phân tử protein.

Thuật ngữ này có nguồn gốc từ axit ribonucleic và Greek soma, có nghĩa là "cơ thể". Trình tự của DNA mã hóa cho một protein có thể được sao chép nhiều lần vào chuỗi RNA thông tin (mRNA) với một trình tự tương tự. Ribosome có thể liên kết với một chuỗi mRNA và sử dụng nó như một khuôn mẫu để xác định đúng trình tự của các axit amin trong một protein. Axit amin được lựa chọn, thu thập và mang đến ribosome bởi RNA vận chuyển (phân tử tRNA), nhập vào một phần của ribosome và liên kết với chuỗi mRNA. Các axit amin sau đó sẽ được liên kết với nhau bởi một phần khác của ribosome. Sau khi protein được sản xuất, nó có thể "cuộn lại" để sản xuất ra một cấu trúc tính năng 3 chiều đặc biệt.

Ribosome được hình thành từ phức hợp RNA và protein và vì vậy có tên là Ribonucleoprotein. Mỗi ribosome được chia thành hai tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị nhỏ hơn liên kết với các mô hình mRNA, trong khi các tiểu đơn vị lớn hơn liên kết với tRNA và các axit amin. Khi ribosome đọc xong một phân tử mRNA, hai tiểu đơn vị này sẽ tách ra. Ribosome là ribozymes, bởi vì các hoạt động xúc tác phản ứng peptidyl transferase, nhằm mục đích liên kết các axit amin với nhau, được thực hiện bởi các RNA ribosome.

Ribosome của vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn (ba lĩnh vực của sự sống trên Trái đất) có sự khác biệt về kích cỡ, trình tự, cấu trúc và tỷ lệ giữa protein và RNA. Sự khác biệt trong cấu trúc cho phép một số thuốc kháng sinh tiêu diệt vi khuẩn bằng cách khống chế ribosome của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến các ribosome của con người. Ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ, nhiều ribosome có thể di chuyển dọc theo một chuỗi mRNA cùng một lúc, mà mỗi ribosome "đọc" và sản xuất một phân tử protein tương ứng. Các ribosome trong ti thể của tế bào nhân chuẩn có chức năng tương tự như trong nhiều tính năng của vi khuẩn, nó phản ánh khả năng có nguồn gốc tiến hóa của ti thể.

Vào năm 1974 cùng với Albert Claude và Christian de Duve, George Emil Palade đã được trao giải Nobel trong lĩnh vực Sinh lý học hay y học vì phát hiện ra ribosome. Giải thưởng Nobel Hóa học năm 2009 được trao cho Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A.Steitz và Ada E. Yonath vì đã xác định được cơ cấu chi tiết và cơ chế của ribosome.

Mô tả[sửa | sửa mã nguồn]

Ribosome bao gồm hai thành phần (hình 1 ???) gắn kết với nhau (Hình 2 ???) và cùng làm việc để chuyển hóa mRNA thành một chuỗi polypeptide trong quá trình tổng hợp protein (Hình 3). Bởi vì chúng được hình thành từ hai thành phần kích thước không bằng nhau, chúng dài một chút trên trục hơn so với đường kính. Ribosome prokaryote có đường kính khoảng 20 nm (200 Å) và được tạo thành từ 65% RNA ribosome và 35% protein ribosome. Ribosome eukaryotic có đường kính từ 25 đến 30 nm (250-300 Å) và tỷ lệ rRNA so với protein là gần như đồng nhất (bằng 1). Thành phần vi khuẩn (bacterial) bao gồm một hoặc hai eukaryotic của một hoặc ba phân tử RNA rất lớn (còn được gọi là ribosome RNA hoặc rRNA) và nhiều phân tử protein nhỏ hơn. Tinh thể học đã chỉ ra rằng không có protein ribosome gần các mặt phản ứng trong quá trình tổng hợp polypeptide. Điều này cho thấy rằng các thành phần protein của ribosome hoạt động như một lớp tạm thời, có thể tăng cường khả năng của rRNA để tổng hợp protein thay vì trực tiếp tham gia xúc tác (Xem: Ribozyme).

Ribosome chuyển hóa chuỗi polypeptide (nghĩa là protein) từ các cấu trúc di truyền trong phạm vi RNA, bằng cách sử dụng các axit amin cung cấp bởi các RNA vận chuyển (tRNA). Ribosome thoát ra sẽ đính với cytosol (phần bán chất lỏng của tế bào chất), những chất khác bị ràng buộc trong lưới endoplasmic reticulum, xuất hiện của độ nhám; do đó tên của nó còn được gọi là lớp bọc hạt nhân. Mặc dù xúc tác của các liên kết peptide liên quan đến C2 hydroxyl của RNA's P-site (xem phần Function sau đây) adenosine trong một cơ chế trao đổi protein; còn các bước khác trong tổng hợp protein (giống như chuyển vị) được gây ra bởi những thay đổi trong quá trình tái tạo protein. Vì cốt lõi của xúc tác được thực hiện bằng RNA, nên ribosome được phân loại là "ribozymes", và người ta cho rằng nó có thể là phần sót lại cuối cùng của họ RNA.

Ribosome đôi khi được gọi là bào quan, nhưng việc sử dụng từ này thường giới hạn cho việc mô tả tiểu tế bào thành phần bao gồm một màng phospholipid; trong khi ribosome gồm toàn hạt, thì không phải. Vì lý do này, ribosome đôi khi có thể được mô tả như là "bào quan không màng".

Ribosome lần đầu tiên được quan sát thấy giữa thập kỷ 1950 bởi nhà sinh vật học tế bào Rumani Emil George Palade bằng cách sử dụng một kính hiển vi hạt electron, trông chúng giống như các hạt dày hoặc granules mà sau đấy nhờ phát hiện này vào năm 1974 ông giành giải Nobel. Khái niệm "ribosome" đã được đề xuất bởi nhà khoa học Richard B. Roberts vào năm 1958.

Cấu trúc và chức năng của ribosome và những phân tử liên quan, được biết đến như là translational apparatus, đã được quan tâm nghiên cứu từ giữa thế kỷ XX và vẫn là một ngành nghiên cứu rất phổ biến cho đến ngày nay.

Thuyết phát sinh sinh vật[sửa | sửa mã nguồn]

Bài viết chi tiết: Sinh tổng hợp protein

Bên trong tế bào vi khuẩn, ribosome được tổng hợp trong tế bào chất thông qua quá trình phiên mã ở các gen ribosome trong operon. Đối với sinh vật nhân chuẩn, quá trình này được diễn ra ở cả tế bào của tế bào chất và cả trong hạch nhân (một vùng trong nhân tế bào). Quá trình tập hợp là sự kết hợp chức năng của hơn 200 protein trong sự tổng hợp và hoạt động của bốn rRNAs, cũng như tập hợp của những rRNAs với các protein ribosome.

Vị trí của Ribosome[sửa | sửa mã nguồn]

Ribosome được phân làm 2 loại: "tự do" hoặc "có màng giới hạn". Một ribosome được hiểu là một protein được tiết ra vào mạng lưới nội chất.

Ribosome tự do và Ribosome có màng giới hạn chỉ khác nhau trong phân bố không gian của nó và giống hệt nhau về cấu trúc. Cho dù ribosome tồn tại trong trạng thái tự do hoặc có màng giới hạn thì đều phụ thuộc vào sự hiện diện của mạng lưới nội chất (ER) và nhắm đến mục tiêu là những tín hiệu trên protein sẽ được tổng hợp để ribosome có thể là loại có màng giới hạn khi nó đang tạo ra một protein, nhưng cũng có thể là ribosome tự do trong tế bào chất khi nó đang tạo ra một protein khác.

Ribosome tự do[sửa | sửa mã nguồn]

Loại Ribosome tự do có thể di chuyển bất cứ nơi nào trong tế bào chất, nhưng ko thể di chuyển trong nhân tế bào và các bào quan khác. Protein được hình thành từ các ribosome tự do được phóng vào tế bào chất và được sử dụng bên trong tế bào. Vì tế bào chất có chứa nồng độ glutathione cao nên trong môi trường khử, các protein có chứa liên kết chất disulfide (được hình thành từ dư lượng chất amino a-xít chứa lưu huỳnh đã bị oxy hóa) không thể được sản sinh ra trong khu vực này.

Ribosome có màng giới hạn[sửa | sửa mã nguồn]

Khi một ribosome bắt đầu tổng hợp các protein cần thiết trong một số cơ quan tế bào, ribosome tạo ra protein này có thể trở thành loại có "màng giới hạn". Trong tế bào nhân chuẩn, việc này sẽ diễn ra trong một khu vực của mạng lưới nội chất (ER) được gọi là "ER thô". Chuỗi polypeptide mới được sản xuất ra sẽ được chèn trực tiếp vào ER bởi sự tổng hợp các vecto thuộc ribosome và sau đó được vận chuyển đến các điểm thông qua con đường bài tiết. Ribosome bị ràng buộc thường sản xuất ra các protein được sử dụng trong màng huyết tương hoặc bị đào thải khỏi tế bào thông qua xuất bào.

Cấu trúc[sửa | sửa mã nguồn]

Các tiểu đơn vị ribosome của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn là khá giống nhau. Người ta dùng đơn vị đo là Svedberg, một thước đo tốc độ lắng đọng ly tâm chứ không phải là kích thước, và điều này lý giải vì sao các phần tên dù mang số nhưng không có ý nghĩa toán học (ví dụ như 70S được cấu thành bởi 50S và 30S).

Sinh vật nhân sơ có 70S ribosome, mỗi ribosome bao gồm của một tiểu đơn vị nhỏ (30S) và một tiểu đơn vị lớn (50S). Tiểu đơn vị nhỏ này lại có một tiểu đơn vị nhỏ RNA 16S (bao gồm 1540 nucleotide) dính với 21 protein. Tiểu đơn vị lớn bao gồm một tiểu đơn vị RNA 5S (120 nucleotide), một tiểu đơn vị RNA 23S (2900 nucleotide) và 31 protein. Việc đặt tên liên tiếp cho các phần tRNA kết nối trên ribosome E. coli cho phép xác định các protein trên phần A và P có nhiều khả năng liên quan với các hoạt động peptidyltransferase (hình thành liên kết peptid); các protein được đặt tên như vậy là L27, L14, L15, L16, L2, ít nhất là L27 nằm tại bên cho, như E. Collatz và AP Czernilofsky đã cho thấy. Các nghiên cứu thêm đã cho thấy rằng các protetin S1 và S21, kết hợp với đuôi 3' của 16S ribosome RNA, có tham gia vào khởi động việc dịch mã.

Sinh vật nhân chuẩn có 80S ribosome, mỗi ribosome bao gồm một tiểu đơn vị nhỏ (40S) và một tiểu đơn vị lớn (60S). Tiểu đơn vị 40S có một RNA 18S (1900 nucleotide) và 33 protein. Tiểu đơn vị lớn gồm có một tiểu đơn vị RNA 5S (120 nucleotide), một RNA 28S (4700 nucleotide), và một RNA 5.8S (160 nucleotide) và 46 protein. Năm 1977, Czernilofsky công bố một nghiên cứu trong đó có sử dụng việc đặt tên liên tiếp để xác định các phần liên kết tRNA trên ribosome gan chuột. Một số protein, bao gồm L32/33, L36, L21, L23, L28/29 và L13 được cho là ở tại hoặc gần trung tâm peptidyl transferase (hình thành liên kết peptid).

Các ribosome được tìm thấy trong lục lạp và ty thể của sinh vật nhân chuẩn cũng bao gồm các tiểu đơn vị lớn và nhỏ liên kết với các protein tạo thành một hạt 70S. Cơ quan tế bào này được cho là hậu duệ của vi khuẩn (xem lý thuyết nội cộng sinh) vì các ribosome của nó cũng tương tự như của vi khuẩn.

Các ribosome khác nhau lại có cùng một cấu trúc cốt lõi khá tương đồng mặc dù có kích thước khác biệt rất nhiều. Phần lớn RNA được tổ chức chi tiết vào các chuỗi với cấu trúc khác nhau, ví dụ các pseudoknots (nút giả) thể hiện tính đồng trục xếp. RNAthêm trong các ribosome lớn hơn là ở trong các phần chèn thêm dài liên tục, nhờ đó mà chúng tạo thành các vòng từ cấu trúc cốt lõi mà không làm gián đoạn hoặc thay đổi nó. Tất cả các hoạt động xúc tác của ribosome được thực hiện bởi RNA, các protein thì cư trú trên bề mặt và có vẻ có chức năng ổn định cấu trúc.

Sự khác biệt giữa các ribosome vi khuẩn và nhân chuẩn được các nhà hóa học dược phẩm khai thác để tạo ra các loại thuốc kháng sinh có thể tiêu diệt nhiễm trùng do vi khuẩn mà không làm hại các tế bào của người bệnh. Do sự khác biệt trong cấu trúc, các ribosome 70S của vi khuẩn dễ bị kháng sinh tác động trong khi ribosome 80S nhân chuẩn thì không sao. Mặc dù ty thể có ribosome tương tự như những vi khuẩn, ti thể không bị ảnh hưởng bởi các loại thuốc kháng sinh bởi vì chúng được bao quanh bảo vệ bởi hai lớp màng ngăn chặn không để kháng sinh vào sâu trong cơ quan tế bào.

Cấu trúc nguyên tử của tiểu đơn vị 30S từ Thermus thermophilus. Protein được thể hiện trong màu xanh và chuỗi RNA duy nhất màu cam.

Cấu trúc phân giải cao[sửa | sửa mã nguồn]

Cấu trúc phân tử chung của ribosome đã được biết đến từ đầu những năm 1970. Đến đầu những năm 2000 cấu trúc đã đạt được xác định ở độ phân giải cao, đến mức một vài Å.

Các nghiên cứu đầu tiên đưa ra cấu trúc của ribosome ở độ phân giải tầm nguyên tử đã được công bố gần như đồng thời vào cuối năm 2000. Các tiểu đơn vị 50S (sinh vật nhân sơ lớn) được xác định từ Haloarcula archaeons marismortui và Deinococcus radiodurans, và cấu trúc của tiểu đơn vị 30S đã được xác định từ Thermus thermophilus. Những nghiên cứu cấu trúc này đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2009. Đầu năm sau đó (tháng năm 2001) các nghiên cứu này đã được sử dụng để tái tạo lại toàn bộ hạt T. thermophilus 70S ở độ phân giải 5,5 Å.

Hai bài báo đã được công bố trong tháng 11 năm 2005 với cấu trúc của ribosom Escherichia coli 70S. Các cấu trúc của một ribosome trống đã được xác định ở độ phân giải 3,5-Å bằng cách sử dụng X-quang tinh thể. Hai tuần sau đó, một cấu trúc dựa trên phương pháp hiển vi cryo-electron được xuất bản, mô tả ribosome tại độ phân giải 11-15 Å trong quá trình đưa một sợi protein mới được tổng hợp vào các kênh tạo protein.

Các cấu trúc nguyên tử đầu tiên của ribosome chi tiết hóa với tRNA và phân tử mRNA đã được giải quyết bằng cách sử dụng tinh thể học tia X bởi hai nhóm độc lập, ở 2,8 Å và 3,7 Å. Những cấu trúc này cho phép ta xem chi tiết các tương tác của Thermus thermophilus ribosome với mRNA và tRNA dính tại ở các ribosome điển hình. Tương tác của ribosome với mRNA dài có chứa các chuỗi Shine-Dalgarno sau đó cũng được tạo hình ở độ phân giải 4,5 5,5-Å.

Gần đây hơn, cấu trúc nguyên tử hoàn chỉnh đầu tiên của ribosome nhân chuẩn 80S từ nấm men Saccharomyces cerevisiae đã thu được bằng phương pháp tinh thể học. Mô hình này cho thấy kiến trúc của các yếu tố nhân sơ và sự tương tác của chúng với lõi bảo tồn phổ. Đồng thời, các mô hình hoàn chỉnh của một cấu trúc nhân chuẩn ribosome 40S ở Tetrahymena thermophila đã được công bố, mô tả cấu trúc của các tiểu đơn vị 40S cũng như sự tương tác giữa tiểu đơn vị 40S với eIF1 trong thời gian bắt đầu dịch mã. Tương tự như vậy, cấu trúc tiểu đơn vị nhân chuẩn 60S cũng đã được xác định từ Tetrahymena thermophila chi tiết hóa bằng eIF6.

Cấu trúc nguyên tử của 50S tiểu đơn vị từ Haloarcula marismortui. Protein được thể hiện trong màu xanh và hai chuỗi RNA trong cam và vàng. Miếng vá nhỏ màu xanh lá cây ở trung tâm của tiểu đơn vị là phần đang hoạt động.

Chức năng[sửa | sửa mã nguồn]

Ribosome là những động cơ chính của quá trình sinh tổng hợp protein, hay còn được biết đến là quá trình dịch mRNA thành protein. mRNA bao gồm một loạt các đơn vị mã truyền cho các ribosome trình tự của các axit amin cần thiết để tạo ra các protein. Sử dụng mRNA như một bản mẫu, ribosome dung mỗi đơn vị mã (3 nucleotide) của mRNA, ghép nối nó với axit amin thích hợp được cung cấp bởi một aminoacyl-tRNA. aminoacyl-tRNA có chứa một anti-codon bổ sung vào một đầu và một axit amin thích hợp ở đầu kia. Các tiểu đơn vị ribosome nhỏ, thường dính vào một aminoacyl-tRNA có chứa các axit amin methionine, liên kết với một AUG đơn vị mã trên mRNA tạo hành các tiểu đơn vị ribosome lớn. Ribosome khi đó có ba phần RNA liên kết, được gọi là A, P và E. Phần A liên kết với một aminoacyl tRNA, phần P liên kết với một peptidyl-tRNA (tRNA dính với peptide được tổng hợp), và phần E liên kết với tRNA tự do trước khi nó ra khỏi ribosome. Tổng hợp protein bắt đầu tại một đơn vị mã khởi đầu AUD gần đầu 5’ của mRNA. mRNA dính với phần P của ribosome trước. Ribosome có thể để xác định các đơn vị mã khởi đầu bằng cách sử dụng chuỗi Shine-Dalgarno của mRNA nhân sơ và hộp Kozak ở sinh vật nhân chuẩn.

Hình 3: Dịch mRNA (1) bằng một ribosome (2) (được hiển thị như các tiểu đơn vị lớn và nhỏ) thành một chuỗi polypeptide (3). Ribosome bắt đầu tại đơn vị mã khởi đầu của mRNA (AUG) và kết thúc tại đơn vị mã kết thúc (UAG).

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]