• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Wytwórnia białek w komórkach sfilmowana w akcji

    16.07.2010. 22:12
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Naukowcy, których badania są finansowane ze środków unijnych, sfilmowali "wytwórnie białek" w komórkach, czyli rybosomy, w akcji. Prace dają bezprecedensowe wyobrażenie o tym, jak funkcjonują te kluczowe elementy mechanizmu komórkowego, przez co mogą przyczynić się do opracowania nowych leków.

    Badania, których wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature, otrzymały wsparcie unijne za pośrednictwem projektu 3D-REPERTOIRE (Interdyscyplinarne podejście do określania budowy kompleksów wielobiałkowych w organizmie modelowym), który został dofinansowany z tematu "Nauki o życiu, genomika i biotechnologia na rzecz zdrowia" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Jeżeli DNA jest modelem życia, to rybosomy są zakładami, w których model ten zamieniany jest na białka budujące nasze mięśnie, transportujące substancje w komórkach i między nimi, wysyłające i odbierające sygnały, uruchamiające reakcje chemiczne i wykonujące wiele innych zadań.

    Cały proces rozpoczyna się od DNA. Sekwencja DNA, która niesie w sobie kod genetyczny danego białka jest kopiowana w pojedynczą nić matrycowego kwasu rybonukleinowego (mRNA). Kwas mRNA zostaje dołączony do rybosomu, który przesuwa molekułę mRNA. Każdy blok trzech liter w mRNA tworzy kod genetyczny konkretnego aminokwasu. Różnego rodzaju molekuły RNA, zwane transferowym RNA (tRNA), "odczytują" ten kod genetyczny i doprowadzają odpowiedni aminokwas do rybosomu. Aminokwasy są budulcem białek, a wraz z przesuwaniem się rybosomu wzdłuż mRNA powstaje łańcuch aminokwasów i białko zaczyna nabierać kształtu.

    Rybosomy są wyjątkowo małe, bowiem ich długość wynosi zaledwie 25 nanometrów, czyli są mniej więcej takiej wielkości, jak najmniejsze wirusy. Dlatego też badanie ich budowy wcale nie jest łatwe, a zespół, któremu ostatecznie udało się ustalić ich kształt zdobył w 2009 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w uznaniu za swoje osiągnięcia. Wcześniejsze badania również wyjaśniły, w jaki sposób rybosomy łączą aminokwasy w łańcuch oraz jak tRNA odczytują informacje zakodowane w mRNA.

    Chociaż rybosomy są swego rodzaju maszynami z ruchomymi częściami, do tej pory wszystkie ich zdjęcia były nieruchome. W konsekwencji wiele aspektów funkcjonowania rybosomów pozostało tajemnicą.

    W ramach ostatnich badań naukowcy z Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka w Niemczech oraz z Instytutu Fizyki Jądrowej w Petersburgu w Rosji znaleźli sprytny sposób na "sfilmowanie" rybosomów w akcji.

    "Sztuka polegała na tym, że udało nam się przede wszystkim zmusić rybosomy do pracy w roztworze" - wyjaśnia Holger Stark, kierownik Grupy 3D (trójwymiarowej) Kriomikroskopii Elektronowej przy Instytucie Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka. Próbki roztworu były pobierane o różnych porach i szybko zamrażane. To skutecznie zatrzymywało mechanizm molekularny na różnych etapach procesu.

    "Z tych próbek mikroskop elektronowy dostarcza serię zdjęć rybosomów na różnych etapach wytwarzania białek, na których różni się ich trójwymiarowa budowa" - mówi profesor Stark.

    W sumie zespół zrobił ponad dwa miliony zdjęć rybosomów przy pracy. Do sklasyfikowania obrazów wykorzystano program komputerowy, a uzyskane grupy zdjęć odpowiadają różnym etapom wytwarzania białek. Następnie komputer wyliczył budowę 3D tych grup. Na koniec obrazy zostały uporządkowane w kolejności, aby stworzyć film, który pokazuje, w jaki sposób mRNA przechodzi przez rybosom niczym przenośnik taśmowy oraz jak molekuły tRNA dostarczają aminokwasy do rybosomu zanim zostaną uwolnione.

    "Możemy śledzić krok po kroku ścieżkę molekuł tRNA przez rybosom i obserwować, w jaki sposób ruchy tRNA są powiązane z dynamicznymi zmianami rybosomu" - komentuje Niels Fischer, który pracuje w laboratorium profesora Starka.

    Marina Rodnina z Wydziału Biochemii Fizycznej Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maxa Plancka dodaje: "Analiza tego połączenia pokazuje, że nanomaszyny takie jak rybosomy pracują inaczej niż mechanicznie sprzężone maszyny, które spotykamy na co dzień. Samorzutne ruchy rybosomu i molekuł tRNA są stosunkowo słabo sprzężone."

    Ponadto zespół odkrył, że rybosomy funkcjonują optymalnie w temperaturze ciała na poziomie około 37°C, wykorzystując to ciepło to zasilania swoich działań.

    "Rybosom może przekształcić energię cieplną bezpośrednio w ruch" - mówi profesor Stark. "Energia cieplna dostępna w warunkach fizjologicznych w pełni wystarcza rybosomom do wykonania wszystkich ruchów wymaganych do wytworzenia białek."

    Wyniki prac mogą również przyczynić się do opracowania nowych leków. Rybosomy człowieka różnią się od rybosomów bakterii, stąd skuteczność niektórych antybiotyków, które blokują wytwarzanie białek w rybosomach bakterii, pozostawiając bez szwanku rybosomy człowieka. Pogłębienie naszej wiedzy na temat budowy i funkcji rybosomów ma zatem kluczowe znaczenie dla opracowania nowych antybiotyków.

    Aktualizacja (21.07.2010): Film obrazujący rybosomy w akcji można zobaczyć pod adresem: http://www.mpg.de/video/mpibpc/ribo.swf

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    tRNA, transportujący (transferowy) RNA (ang. transfer RNA) − najmniejsze (składające się z kilkudziesięciu nukleotydów) cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA), których zadaniem jest przyłączanie wolnych aminokwasów w cytoplazmie i transportowanie ich do rybosomów, gdzie w trakcie procesu translacji zostają włączone do powstającego łańcucha polipeptydowego. tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA. Cząsteczki tRNA występują w komór­kach w stanie wolnym bądź też związane ze specyficznym aminokwasem. Kompleks tRNA-aminokwas nosi nazwę aminoacylo-tRNA. tRNA, transportujący (transferowy) RNA (ang. transfer RNA) − najmniejsze (składające się z kilkudziesięciu nukleotydów) cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA), których zadaniem jest przyłączanie wolnych aminokwasów w cytoplazmie i transportowanie ich do rybosomów, gdzie w trakcie procesu translacji zostają włączone do powstającego łańcucha polipeptydowego. tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA. Cząsteczki tRNA występują w komór­kach w stanie wolnym bądź też związane ze specyficznym aminokwasem. Kompleks tRNA-aminokwas nosi nazwę aminoacylo-tRNA. Rybosom – kompleks białek z kwasami nukleinowymi służący do produkcji białek w procesie translacji. Rybosomy zbudowane są z rRNA i białek. Katalityczna aktywność rybosomu związana jest właśnie z zawartym w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji.

    Czynniki elongacyjne – białka odpowiedzialne za elongację (wydłużanie) syntezowanego łańcucha peptydowego poprzez tworzenie kolejnych wiązań peptydowych w procesie translacji. Na podstawie odczytywanej sekwencji mRNA (kodonów) wiążą odpowiednie kompleksy aminoacylo-tRNA z rybosomem, umożliwiając dobudowywanie kolejnych aminokwasów do syntezowanego białka. Polirybosom, polisom, informosom – zespół rybosomów związanych z jedną cząsteczką mRNA i prowadzących jej translację, czyli syntezę białek. Odkryte i opisane w 1963 r. przez Jonathana Warner, Paula Knopf, i Alexa Rich. Polisomy mogą występować w postaci pojedynczych ziarenek w cytoplazmie, bądź systemu rybosomów przyczepionych do błon siateczki śródplazmatycznej szorstkiej (ER-g).

    Antykodon – sekwencja trzech kolejnych nukleotydów, których zasadykomplementarne do zasad kodonu danego aminokwasu na mRNA. Występuje on w pozycji 34-36, w cząsteczce tRNA, biorącej udział w translacji. Podczas tego procesu przyłącza się on do komplementarnej trójki zasad w mRNA wraz ze znajdującym się na przeciwnym końcu cząsteczki tRNA aminokwasem. Leukoplasty (gr. leukos - biały) – bezbarwne plastydy wielkości 2-4 μm, mające nieregularny kształt. Nie zawierają rybosomów, nie tworzą tylakoidów. Pełnią funkcje zapasowe. Dzielą się, w zależności od przechowywanego materiału zapasowego, na:

    Ergastoplazma - (gr. ergazomai = praca; plazma pracująca) bazofilne (zasadochłonne) obszary cytoplazmy wokół jądra komórkowego, charakteryzujące się nagromadzeniem ER-g (retikulum endoplazmatycznego granularnego, inaczej siateczki śródplazmatycznej szorstkiej), wraz z tym retikulum. Na siateczce znajdują się rybosomy, syntetyzujące białka (translacja) na podstawie kwasu mRNA, który nadaje środowisku wnętrza komórki odczyn kwaśny (zasadochłonność) przez obecność reszt fosforanowych. eIF2 – eukariotyczny czynnik inicjacji translacji 2 (ang. eukaryotic initiation factor 2) – białko, które bierze udział w inicjacji translacji (biosyntezy białek w komórkach). Wchodzi w skład tzw. kompleksu inicjacyjnego. Uczestniczy w wiązaniu tRNAi (inicjatorowego tRNA transportującego metioninę) z małą podjednostką rybosomu 40S przy udziale GTP. Składa się z trzech podjednostek: α, β i γ.

    Mikrosomy - frakcja homogenatu komórkowego, uzyskiwana do badań biochemicznych przez wirowanie miazgi komórkowej; zawiera fragmenty błon szorstkich siateczki śródplazmatycznej (z rybosomami); stosowane głównie w badaniach syntezy białek.

    Splicing alternatywny – w procesie splicingu łączenie ze sobą różnych egzonów z pre-mRNA na różne sposoby, niekoniecznie po kolei (według genu), czasem z pominięciem niektórych egzonów lub z zachowaniem niektórych intronów. W ten sposób z jednego genu może powstać więcej niż jedna cząsteczka mRNA, co jest źródłem zmienności białek. Jeśli warianty splicingowe mRNA dotyczą sekwencji kodującej, powstałe na matrycy takich mRNA białka różnią się sekwencją aminokwasową, co może powodować np. zróżnicowanie ich funkcji lub lokalizacji w komórce. Splicing alternatywny obszarów niekodujących może wpływać na obecność elementów regulatorowych w mRNA, np. sekwencji wzmacniających translację (enhancerów) czy sekwencji wpływających na stabilność mRNA, a zatem wpływać na ilość produkowanego przez komórkę białka.

    Niekodujące RNA: Termin ten w szerokim znaczeniu odnosi się do wszystkich transkryptów lub ich elementów, które nie mają potencjału kodowania białek (brak otwartych ramek odczytu). Tym samym, obejmować może on wszystkie transkrypty z wyjątkiem matrycowych RNA (mRNA), jak również sekwencje intronów, usuwane w procesie dojrzewania pre-mRNA, czy też regiony nieulegające translacji przy końcach 5’ i 3’ mRNA. Ze względu na funkcje pełnione w komórce, niekodujące RNA podzielić można dalej na konstytutywne i regulatorowe. Translacja (łac. translatio - tłumaczenie) – w biologii molekularnej, proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

    Pętla D (ang. D-loop czyli Displacement loop) – struktura, powstała na skutek odsunięcia jednej z nici dwuniciowego DNA podczas Rekombinacji genetycznej. W organizacji mitochondrialnego DNA, pętla D jest obszarem, w którym zachodzi inicjacja transkrypcji. Obszar ten ma w sobie dwa mniejsze obszary, tzw. obszary hiperzmienne, które są odmienne u różnych osób. Nici DNA nazywane są H (ang. heavy – ciężka) oraz L (ang. light – lekka). Na nici H zapisana jest informacja o sekwencji 12 białek i 14 tRNA, na nici L – o sekwencji 1 białka i 8 tRNA. Obszar ten ma wielkość 1274pz położony jest między genami tRNA proliny a tRNA fenyloalaniny. Mimo ważnych funkcji wydaje się on być najszybciej ewoluującą częścią mtDNA.

    Dodano: 16.07.2010. 22:12  


    Najnowsze