Enesetootmise optimeerimine võib seletada ribosoomi salapäraseid omadusi

Anonim

Tootmise optimeerimine võib seletada ribosoomide põhipunkte, raku valgutootmise tehaseid, teatasid Harvardi Meditsiinikooli looduse teadlased 20. juulil.

Uues uuringus näitas, et Harvardi Meditsiinikooli süsteemibioloogia professor Johan Paulssoni juhitud meeskond näitas matemaatiliselt, et ribosoomid on täpselt struktureeritud nii, et saada täiendavaid ribosoomi nii kiiresti kui võimalik, et toetada rakkude kasvu ja jagunemist.

Uuringu teoreetilised ennustused peegeldavad täpselt ribosoomide suuremahulisi tunnuseid, mis näitavad, miks nad on valmistatud ebatavaliselt suurel hulgalt väikestest, ühtlaselt suurusega valkudest ja mõnest RNA-st, mis varieeruvad suuresti suurusjärgus, ning annavad ülevaate erakordne molekulaarmasin.

"Ribosoom on kogu elu kõige olulisem molekulaarne kompleks, ja seda on aastakümnete jooksul uuritud teaduslike erialade lõikes, " ütles Paulsson. "Mul oli alati hämmeldunud asjaolu, et tundus, et võiksime selgitada oma peent üksikasju, kuid ribosoomidel on sellised veider omadused, mida ei ole sageli käsitletud või kui see on ebasobiv."

Iga elusrakk, kas üksik bakter või inimese neuron, on bioloogiline süsteem, mis on dünaamiline ja keeruline kui ükski linn. Rakkude sees on seinad, maanteed, elektrijaamad, raamatukogud, ringlussevõtukeskused ja palju muud, kõik töötavad koos, et tagada elu jätkamine.

Valdav enamus nendest mitmetest struktuuridest on valmistatud ja valmistatud valkude poolt. Ja need valgud on valmistatud ribosoomide abil.

Saladuslikud funktsioonid

Kuigi teadlased on avanud, kuidas ribosoomid muudavad geneetilise teabe valkudeks aatomi lahutusvõimega, paljastavad täpselt, kiiruse ja kontrolli peal täpsustatud molekulaarmasina, ei ole selge, millised eelised on mitmetes selle suuremahulistest omadustest.

Ribosoomid koosnevad hämmastavalt suurel hulkusest erinevatest struktuurvalgudest - kõikjal 55 kuni 80-ni, sõltuvalt organismi tüübist. Need valkud ei ole lihtsalt arvukamad kui oodatud, need on ebatavaliselt lühikesed ja ühtlased pikkusega. Ribosoomid koosnevad ka 2-3 RNA ahelast, mis moodustavad kuni 70% ribosoomi kogumassist.

"Ilma mõistmiseta, miks kollektiivsed omadused eksisteerivad, on see natuke vaadates metsa ja mõista, kuidas kloroplastid ja fotosüntees töötavad, ja ei suuda seletada, miks rohi asemel puud, " ütles Paulsson.

Nii otsustas Paulsson ja tema kaastöötajad HMS postdoktori doktor Shlomi Reuveni ja Rootsis Uppsala Ülikoolist Måns Ehrenberg uurida ribosoomi erineval valgusel.

"Meie läbimurre toimus aatomielektroonika suurendamine ja ribosoomi vaadates uus vaatenurk, " ütles Reuveni. "Me ei mõelnud ribosoomi kui masinat, mis toodab valke, vaid pigem valgu tootmisprotsessi produktiks."

Mets puid

Selleks, et rakk saaks jagada, peab tal olema kaks täielikku ribosoomide komplekti, et teha kõik valgud, mida tütarrakud vajavad. Seega, mis kiirendab ribosoome endas endas, piirab see rakkude jagunemise kiirust. Paulsson ja tema kolleegid välja töötasid teoreetilised matemaatilised mudelid selle kohta, mida ribosoomi omadused peaksid välja nägema, kui kiirus oli esmane selektiivne surve, mis ajendas selle arengut.

Meeskond arvutas, et uue ribosoomi paljundamise paljundamine paljude ribosoomide seas, millest igaüks moodustab väikese lõpptoote osa, võib suurendada tootmisprotsenti kuni 30 protsenti, kuna iga uus ribosoom aitab suurendada ribosoomi niipea kui võimalik need on loodud, kiirendades protsessi.

See kujutab endast tohutut eelist rakkudele, mis vajavad kiiret jagamist, näiteks bakterid. Kuid valgu tootmisprotsess võtab aega, et initsieerida, ja see üldkulude arv piirab valkude arvu, millest ribosoomi saab valmistada, vastavalt matemaatikale.

Meeskonna mudelid ennustasid, et maksimaalse iseseisva efektiivsuse saavutamiseks peaks ribosoomi tootma 40-80 valku. Igaüks neist proteiinidest peaks olema umbes kolm korda väiksem kui keskmine rakuväline valk, ja need peaksid kõik olema suuruselt sarnased.

Selgub, et teadlaste teooria, mis on täielikult välja töötatud laborist sõltumatult, kajastab täpselt ribosoomi täheldatud valgusisaldust.

"Meie tulemuste analoogiaks oleks ribosoomide mõtlemine mitte grupi puidust, kes ainult ehitaksid palju maju, vaid kui puusepad, kes ehitavad ka teisi puuseppu, " ütles Paulsson. "Siis on stiimul jagada töö mitmeks väikesteks detailideks, mida saab paralleelselt teha, et protsessi aitamiseks kiiremini kokku koguda teine ​​täielik puusepp."

Teooria ja reaalsus

Paulsson ja tema kolleegid uurisid ribosoomi RNA-d, mis toimib strukturaalse komponendina ja teostab ribosoomi ensümaatilist aktiivsust, mis ühendab aminohappeid valkudeks.

Nende analüüs näitas, et mida rohkem RNA-d on ribosoomist valmistatud, seda kiiremini see tekib. Seda seetõttu, et rakud võivad ribosomaalset RNA-d muuta palju kiiremini kui valk. Seega, kuigi RNA ensüümid arvatakse olevat vähem tõhusad kui proteiini ensüümid, on ribosoomidel tohutu surve kasutada võimalikult palju RNA-d, et maksimeerida kiirust, millega saab rohkem ribosoome valmistada.

"Mis tahes koht, kus ribosoom saab RNA abil ära minna, peaks ta seda kasutama, sest isemajandav kiirus võib sisuliselt kahekordistuda või kolmekordistuda, " ütles Paulsson. "Isegi kui RNA oleks ensüümide funktsiooniga võrreldes proteiiniga halvem, on RNA kasutamisel ikkagi suur eelis, kui rakk püüab võimalikult kiiresti ribosoomi valmistada."

Vastavalt meeskonnale ennustatakse seda tähelepanekut peamiselt iseseisvatel ribosoomidel. Enamik teisi raku struktuure ei toodeta ennast ja võib ohverdada tootmise kiirust stabiilsuse ja efektiivsuse tagamiseks, kasutades valku RNA asemel.

Kokkuvõttes prognoosib meeskonna teooria täpselt ribosoomide suuremahulisi funktsioone, mida vaadeldakse kogu eluvaldkondades. See selgitab, miks on kõige kiiremini kasvavatel organismidel, näiteks bakteritel, lühemad ribosoomi valgud ja kõige suurem ribosomaalse RNA kogus. Spektri vastupidises otsas on mitokondrid - eukarüootsetest rakkudest pärit jõujaamad, mis arvatakse olevat kunagi olnud bakterid, mis sisenesid püsivasse sümbiootilisse olekusse. Mitokondriatel on oma ribosoomid, mis ise ei toodeta. Ilma selle surveeta on mitokondrite ribosoomid tõepoolest valmistatud suuremate valkude ja palju vähem RNA kui rakulisi ribosoome.

"Kui me selle projekti käisime, ei olnud meil pikki loendit funktsioone, mida me üritasime teooria kaudu selgitada, " ütles Reuveni. "Me alustasime teooriaga ja tekkisid teatud funktsioonid. Kui vaatleme andmeid, et võrrelda seda, mida meie matemaatika prognoosib, leidisime enamikul juhtudel, et need vastavad looduses nähtavale."

Selle asemel, et kujutada endast üksnes evolutsioonilise mineviku reliikvusi, tundub see, et ribosoomide ebatavalised tunnused peegeldavad täiendavat funktsionaalse optimeerimise kihti, mis mõjutab selle osade ühiseid omadusi, meeskond kirjutab.

"Kuigi see uuring on põhiteadus, tegeleme me sellega, mida kogu elu jagab, " ütles Paulsson. "On oluline, et me mõistame, kus struktuuri ja funktsiooni piirangud tulenevad, sest nagu enamus põhiteadusest, on ettearvamatu, millised võivad uute teadmiste tagajärjed tulevikus avada."

menu
menu