ریبوزوم چیست؟ به زبان ساده آشنا شوید

تعداد نقش های RNA یکی پیام رسان، دیگری انتقال دهنده دیگری ریبوزوم است که در اینجا به ریبوزوم پرداخته می شود

�ریبوزوم� (Ribosome) درشت‌مولکولی پیچیده‌ای است که از پروتئین و RNA ساخته شده و به تعداد بی‌شمار در سلو‌ل‌ها وجود دارد و وظیفه مهمی ‌را در رمزگشایی پیام ژنتیکی ذخیره شده در ژنوم بهاسیدهای آمینه و پروتئین‌ها بر عهده می‌گیرد.

ریبوزوم چیست؟

هنگام بررسی سلول‌های حیوانی و گیاهی از طریقمیکروسکوپ، ممکن است اندامک‌های زیادی را مشاهده کنید که برای تکمیل فعالیت‌های سلول با یکدیگر همکاری می‌کنند. یکی از اندامک‌های اساسی سلول، ریبوزوم‌ها هستند که وظیفه سنتز پروتئین را بر عهده دارند.

تصویر 1: ساختمان ریبوزوم؛ 1) ساختمان شماتیک ریبوزوم، 2) مدل سه بعدی ریبوزوم، 3) ساختمان مولکولی ریبوزوم

مرحله شیمیایی اساسی سنتز پروتئین عملکرد آنزیمپپتیدیل ترانسفراز است که پپتید در حال توسعه یا نوپا را به اسید آمینه متصل به tRNA جدید منتقل می‌کند. اسید‌های آمینه متناسب با ترتیب کدون‌های mRNA، در پلی پپتید در حال توسعه قرار می‌گیرند. بنابراین، ریبوزوم دارای جایگاه‌های لازم برای یک mRNA و حداقل دو tRNA است.

هر ریبوزوم از دو زیر واحد ساخته شده است که یکی از آن‌ها زیر واحد بزرگ و دیگری زیر واحد کوچک نام دارد. این زیر واحدها شامل یک زوج از مولکول‌های RNA ریبوزومی ‌(rRNA) و تعداد متفاوتی از پروتئین‌های ریبوزومی‌ هستند. فاکتور‌های پروتئینی بی‌شماری، بیان متمایز از سنتز پروتئین را کاتالیز می‌کنند. ترجمه کد ژنتیکی برای ساخت پروتئین‌ها و در نهایت رشد سلول از اهمیت اساسی برخوردار است.

ساختار ریبوزوم

ساختار ریبوزوم‌ها در انواع گونه‌ها مشابه است. دانشمندان بر این معتقدند که ریبوزوم‌ها مسیری کارآمد و به صرفه‌ای برای سنتز پروتئین‌ها به شمار می‌آیند. قبل از تکامل گونه‌های مختلف از ارگانیسم‌های زنده، عملکرد ریبوزوم‌ها در تمام موجودات زنده به عنوان روشی برای ترجمه RNA به پروتئین سازگاری پیدا کرد. از این رو ریبوزوم‌های موجود در ارگانیسم‌های زنده مختلف تفاوت اندکی با یکدیگر دارند.

ریبوزوم‌ها از پروتئین‌ها و ریبونوکلئیک اسیدها (RNA) تشکیل شده‌اند. مقدار این دو ترکیب در ساختمان ریبوزوم‌ها تقریبا با هم برابر است. همان طور که در بالا اشاره شد، هر ریبوزوم از دو بخش یا زیر واحد تشکیل شده است. زیر واحد کوچک‌تر جایگاه اتصال mRNA و رمزگشایی از کدهای ژنتیکی دارد و زیر واحد بزرگتر دارای جایگاهی برای قرارگیری اسیدهای آمینه و تکمیل توالی پروتئینی است.

هر دو زیر واحد ریبوزومی از پروتئین و ریبونوکلئیک اسید تشکیل شده‌اند که با برهمکنش‌هایی بین پروتئین‌ها در یک زیر واحد و ‌rRNA یا RNA ریبوزومی در زیر واحد دیگر به یکدیگر متصل می‌شوند. ریبونوکلئیک‌ها از هستک در هسته سلول منشا می‌گیرند و از آنجا برای ساخت ریبوزوم‌ها واردسیتوپلاسم می‌شوند.

RNA ریبوزومی به صورت تعداد زیادی از رشته‌ها با طول‌های متنوع در سلول وجود دارند، در ساختار ریبوزوم این RNA توسط پروتئین‌ها احاطه می‌شوند. rRNA به عنوان محافظی برای mRNA و tRNA‌ها عمل می‌کنند و از طرفی دیگر نقش کاتالیست برای افزایش سرعت تشکیل پیوندهای پپتیدی بین اسید‌های آمینه را بر عهده دارند.

تصویر 2: ساختمان ریبوزوم در طول سنتز پروتئین

تفاوت بین ریبوزوم‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی در اندازه آن‌ها است. ریبوزوم‌ها با واحد سودبرگ اندازه‌گیری می‌شوند. سودبرگ تعیین می‌کند که چقدر زمان لازم است که یک مولکول در محلولی درونسانتریفیوژ ته‌ نشین شود. هر چقدر این زمان بیشتر باشد، اندازه مولکول بزرگتر است. اندازه ریبوزوم‌های پروکاریوتی 70S یا 70 واحد سودبرگ اندازه‌گیری شده است.ریبوزوم‌های یوکاریوتی معمولا به اندازه 80S هستند.

ریبوزوم‌های یوکاریوتی بزرگتر هستند، زیرا آن‌ها شامل پروتئین‌ها و RNAهای بیشتری نسبت به پروکاریوت‌هاهستند. ریبوزوم‌های پروکاریوتی شامل 3 مولکول RNA هستند، در حالی که ریبوزوم‌های یوکاریوتی 4 مولکول‌ RNA دارند. به طور کلی تنها تفاوت ریبوزوم‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی در اندازه آن‌ها است ولی از نظر عملکردی تفاوتی بین آن‌ها وجود ندارد.

نکاتی در مورد ساختار و محل قرارگیری ریبوزوم در سلول وجود دارند که شامل موارد زیر هستند:

• ریبوزوم‌ها در دو ناحیه از سیتوپلاسم قرار دارند.
• آن‌ها در سیتوپلاسم به صورت پراکنده دیده می‌شوند و تعداد معدودی از آن‌ها نیز به شبکه آندوپلاسمی ‌متصل می‌شوند. در اندامک‌های سلول‌های یوکاریوتی مانند میتوکندری‌ها وکلروپلاست‌ها نیز ریبوزوم‌ها حضور دارند که در آنجا نیز وظیفه سنتز پروتئین‌های مورد نیاز این اندامک‌ها را بر عهده می‌گیرند.
• زمانی که ریبوزوم‌ها بر روی غشا شبکه آندوپلاسمی متصل می‌شوند، به آن بخش از شبکه آندوپلاسمی، شبکه آندوپلاسمی زبر یا خشن می‌گویند، زیرا در تصاویر میکروسکوپی شبکه آندوپلاسمی دارای ریبوزوم، به شکل دانه دار مشاهده می‌شود.

تصویر 3: مقایسه شبکه آندوپلاسمی صاف و شبکه آندوپلاسمی زبر که بر روی غشای خود دارای ریبوزوم است.

• ریبوزوم‌هایی که به غشای شبکه آندوپلاسمی متصل هستند و ریبوزوم‌های آزاد در سیتوپلاسم از نظر ساختاری مشابه یکدیگر هستند و هر دو در سنتز پروتئین‌های سلولی نقش مهمی دارند.
• حدود 37 تا 62 درصد ساختمان ریبوزوم‌ها از RNA تشکیل شده و باقی آن از پروتئین ساخته شده است.
• پروکاریوت‌ها دارای ریبوزوم‌هایی با ضریب ته نشینی 70S هستند که اندازه زیر واحدهای آن به ترتیب زیر واحد کوچک 30S و زیر واحد بزرگتر 50S است، در حالی که یوکاریوت‌ها دارای ریبوزوم 80S هستند که این ریبوزوم‌ها از زیر واحد‌های کوچک 40S و زیر واحد‌های بزرگ 60S تشکیل شده‌اند.
• ریبوزوم‌هایی که در کلروپلاست‌ها و میتوکندری‌های سلول‌های یوکاریوتی دیده می‌شوند، از زیر واحد‌های بزرگ و کوچکی ‌تشکیل شده‌اند که مانند پروکاریوت‌ها دارای ضریب ته نشینی 70S هستند.
• با وجود تغییراتی که در اندازه ریبوزوم‌ها وجود دارند اما همه آن‌ها یک ساختار مرکزی مشترک دارند.
• از اختلاف ساختار ریبوزومی بین سلول‌های یوکاریوتی و باکتری‌ها (پروکاریوتی) برای ساخت آنتی بیوتیک‌هایی که می‌توانند پاتوژن باکتریایی را بدون آسیب رساندن به سلول‌های انسانی خرد کنند، استفاده می‌شود.

عملکرد ریبوزوم

عملکرد ریبوزوم در هر سلول تولید پروتئین است. پروتئین‌ها تقریباً در تمام عملکرد‌های سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از پروتئین‌ها به عنوان کاتالیزور عمل کرده و زمان انجام واکنش‌ها را کاهش می‌دهند. برخی دیگر از پروتئین‌ها به عنوان اسکلت سلولی عمل کرده و وظیفه حفظ ساختار و استحکام سلول‌ها را بر عهده دارند. بسیاری از پروتئین‌ها در کار‌های خاص مانند انقباض سلول‌های ماهیچه‌ای فعالیت می‌کنند.

تمام پروتئین‌ها از رشته‌های دی اکسی ریبونوکلئیک اسید یا DNA منشا می‌گیرند. پروتئین اختصاصی به نام RNA پلیمراز، آنزیمی ‌است که توالی‌های DNA را شناسایی کرده و به کمک سایر پروتئین‌ها به آن‌ها متصل می‌شود و یک مولکول جدید حاوی اطلاعات ژنتیکی ایجاد می‌کند که می‌تواند از هسته به سیتوزول سلول منتقل شود. رشته ریبونوکلئیک اسید (RNA) تولید شده توسط RNA پلیمراز در مسیر خارج شدن از هسته پردازش می‌شود و مناطقی از RNA که کد پروتئینی ندارند، از این مولکول حذف می‌شوند. این مولکول اکنون به عنوان RNA پیام رسان یا mRNA شناخته می‌شود.

تصویر 4: روند سنتز پروتئین

هر mRNA از 4 باز آلی یا چهار ریبونوکلئوتید مختلف ساخته شده است که به اسید‌های ریبونوکلئیک معروف هستند. جفت‌های بازی این مولکول در توالی‌های سه تایی خوانده می‌شوند که هر کدام از این توالی‌های سه تایی کدون‌ها را تشکیل می‌دهند. هر کدون یک اسید آمینه خاص را مشخص می‌کند. تمام موجودات زنده در کره زمین برای تولید انواع پروتئین از 20 اسید آمینه استفاده می‌کنند و کدونی که برای فراخوانی آن اسید‌های آمینه استفاده می‌شود، تقریباً جهانی است یعنی در تمام موجودات زنده این کدون‌ها با یکدیگر یکسان هستند.

کدونی که توالی تمام پروتئین‌ها از آن را شروع می‌شود کدون �AUG� است که اسید آمینه متیونین را کد می‌کند. این کدون به معنای دنباله‌ای از باز‌های آلی است که به ترتیب آدنین، اوراسیل و گوانین را در بر می‌گیرد. یک مولکول ویژه RNA که به عنوان RNA انتقال دهنده یا tRNA شناخته می‌شود، می‌تواند به اسید‌های آمینه متصل شود. RNA انتقال دهنده، این کدون را در توالی RNA پیام رسان شناسایی می‌کند و به آن متصل می‌شود. این tRNA خاص دارای اسید آمینه متیونین است. بسته به پروتئینی که قرار است ساخته شود، اسید آمینه بعد از متیونین می‌تواند یکی از بیست اسید آمینه باشد.

تصویر 5: ساختمان tRNA؛ 1) ساختمان شماتیک، 2) ساختمان بعدی، 3) ساختمان مولکولی

در این مرحله است که ریبوزوم وارد عمل می‌شود. با شناسایی ساختار mRNA متصل به tRNA، دو زیر واحد ریبوزوم می‌توانند برای شروع سنتز پروتئین از رشته mRNA با یکدیگر ترکیب شوند. ریبوزوم به عنوان یک کاتالیزور بزرگ عمل می‌کند و پیوند‌های پپتیدی بین اسید‌های آمینه ایجاد می‌کند. tRNA استفاده شده دوباره به داخل سیتوزول آزاد می‌شود، بنابراین می‌تواند به اسید آمینه دیگری متصل شود.

سرانجام، mRNA کدونی را به ریبوزوم ارائه می‌دهد که به معنی توقف سنتز پروتئین است. پروتئین‌های خاص رشته اسید‌های آمینه را از آخرین tRNA جدا می‌کنند و پروتئین آزاد می‌شود. این فرایند یعنی سنتز پروتئین جدید در تصویر زیر مشاهده می‌شود:

تصویر 6: نحوه عملکرد ریبوزوم برای سنتز پروتئین از رشته mRNA به کمک tRNAهای حامل اسیدهای آمینه

پروتئین‌های مختلف قبل از عملکرد، نیاز به اصلاحات مختلف و پردازش دارند و به مناطق مختلف سلول منتقل می‌شوند. به عنوان مثال، یک ریبوزوم متصل به شبکه آندوپلاسمی ‌پروتئین تازه تشکیل شده را به داخل این شبکه ارسال می‌کند، درون شبکه آندوپلاسمی جایی است که پروتئین‌های تازه ساخته شده می‌توانند اصلاحات و تغییراتی را پشت سر بگذارند و از نظر فضایی دچار پیچ خوردگی‌هایی شوند که آن‌ها را به یک پروتئین عملکردی تبدیل کند.

پروتئین‌های دیگر به طور مستقیم در سیتوزول تشکیل می‌شوند و در آنجا می‌توانند به عنوان کاتالیزور برای واکنش‌های مختلف فعالیت کنند. ریبوزوم‌ها تمام پروتئین‌های مورد نیاز سلول‌ها را ایجاد می‌کنند که تعداد بیشماری را شامل می‌شوند. در هر سلول، پروتئین‌ها حدود 20 درصد از وزن سلول را به خود اختصاص می‌دهند. یک سلول متوسط می‌تواند 10٫000 پروتئین مختلف داشته باشد، به طور متوسط یک میلیون نسخه از هر کدام از پروتئین‌ها در سلول ساخته می‌شود.

این تعداد، پروتئین زیادی است که باید در سلول سنتز شود، به همین دلیل ریبوزوم تبدیل به یک ماشین کارآمد و سریع شده است. به طور متوسط، ریبوزوم‌ها می‌توانند 3 - 5 اسید آمینه در ثانیه به زنجیره پروتئین اضافه کنند. با توجه به اینکه بزرگترین پروتئین شناخته شده، �تایتین� (Titin)، حدود 30٫000 اسید آمینه دارد، فقط یک بار سنتز این پروتئین توسط ریبوزوم 2 - 3 ساعت زمان لازم دارد. پروتئین‌های کوتاه که تنها از چند صد اسید آمینه تشکیل شده‌اند، می‌توانند در عرض چند دقیقه ساخته شوند.

ریبوزوم‌ها نمی‌توانند خاموش شوند. به محض اتصال tRNA به mRNA، ریبوزوم‌ها به آن‌ها با کمک پروتئین‌های دیگر متصل شده و فرایند سنتز پروتئین آغاز می‌شود. ویروس‌ها از این ویژگی ریبوزوم‌ها استفاده کرده‌اند. ویروس رشته کوچکی از DNA یا RNA است که با به خدمت گرفتن امکانات سلولی میزبان از جمله ریبوزوم‌ها، می‌تواند تکثیر ‌شود. ریبوزوم‌های یک سلول توسط ویروس‌ها برای ایجاد پروتئین‌های لازم برای تکثیر ژنوم ویروس و ساخت پوشش ویروسی استفاده می‌شوند تا ویروس‌ها بتوانند سلول میزبان خود را ترک کنند.

تصویر 7: عملکرد ویروس در سلول؛ 1) اتصال ویروس به غشای سلول، 2) ورود ژنوم ویروس به سلول، 3) همانند سازی ژنوم ویروس در سلول میزبان، 4) به کارگیری امکانات سلول برای تولید پروتئین و 5) ساخت ویروس‌های جدید و خروج آن‌ها از سلولهنگامی‌ که ویروس ژنوم خود را به سلول وارد می‌کند، این مولکول ژنوم مانند ژنوم خود میزبان در نظر گرفته می‌شود، به طوری که همزمان با همانند سازی ژنوم سلول، ژنوم ویروس هم تکثیر می‌شود.

اگر ویروس مبتنی بر DNA باشد، DNA ویروس باید وارد هسته سلول شود، جایی که پروتئین‌های سلول آن را به RNA رونویسی کرده و سپس توسط ریبوزوم‌ها به پروتئین‌ها ترجمه می‌شود. اگر ویروس مبتنی بر RNA باشد، RNA ویروسی در سیتوپلاسم باقی می‌ماند، جایی که می‌تواند مستقیماً با ریبوزوم‌ها در تعامل باشد و پروتئین‌های جدید ایجاد کند. در هر صورت، ویروس قادر به ایجاد تمام پروتئین‌های مورد نیاز برای تکثیر ژنوم خود و بسته‌بندی این نسخه‌ها در کپسول‌های جدید پروتئینی است و به این ترتیب می‌تواند از سلول خارج شود.

با توجه به عملکرد ریبوزوم‌ها می‌توان به این نتیجه رسید که هیچ سلولی بدون داشتن ریبوزوم‌ها قادر به ادامه فعالیت‌های خود نیست. به همین دلیل است که تمام سلول‌ها در ارگانیسم‌های مختلف دارای ریبوزوم هستند. باکتری‌ها و سلول‌های میکروسکوپی ریبوزوم‌هایی به نام ریبوزوم‌های پروکاریوتیک دارند، در حالی که ریبوزوم‌ها در سلول‌های جانوری و گیاهی به نام ریبوزوم‌های یوکاریوتیک شناخته می‌شوند.

تفاوت‌های اساسی بین ریبوزوم‌های پروکاریوتیک و یوکاریوتیک در موارد زیر مورد بحث قرار می‌گیرند:

• پروکاریوت‌ها ریبوزوم‌هایی با اندازه‌های 70s دارند که از دو زیر واحد 30S و 50S تشکیل شده‌اند، در حالی که در سلول‌های یوکاریوتی ریبوزوم‌ها 80S هستند که از زیر واحدهای 40S و 60S ساخته شده‌اند.
• ریبوزوم‌های 70S به طور نسبی کوچکتر از ریبوزوم‌های 80S هستند.
• در پروکاریوت‌ها که زیر واحد کوچک 30S وجود دارد، این زیر واحد از یک بخش 16S RNA و 1540 نوکلئوتید که به 21 پروتئین متصل هستند، تشکیل شده است. زیر واحد بزرگ 50S از یک بخش 5S RNA که در بر دارنده 120 نوکلئوتید و یک قسمت 23S RNA که شامل 2900 نوکلئوتید و 31 پروتئین است، ساخته شده است.
• در یوکاریوت‌ها زیر واحد کوچک 40S از بخش‌ 18S RNA و همچنین 33 پروتئین و 1900 نوکلئوتید تشکیل شده است. زیر واحد بزرگ یوکاریوتی که 60S است شامل RNA 5S و 120 پروتئین و 4700 نوکلئوتید به همراه 28S RNA،5٫8S RNA با 160 نوکلئوتید و 46 پروتئین است.

تصویر 8: زیر واحدهای ریبوزوم یوکاریوتی

• سلول‌های یوکاریوتی دارای اندامک‌های میتوکندری و کلروپلاست هستند و این اندامک‌ها ریبوزوم‌هایی با اندازه 70S دارند. از این رو، هر سلول یوکاریوتی دارای هر دو نوع ریبوزوم 70S و 80S هستند.

مکان قرارگیری ریبوزوم‌ها در سلول

همان طور که در بالا اشاره شد، ریبوزوم‌ها اندامک‌هایی هستند که در سلول‌ها جانوری مانند انسان و سلول‌های گیاهی وجود دارند. محل قرارگیری آن‌ها درون سیتوزول است و برخی از آن‌ها به صورت آزاد در سیتوزول شنارور هستند و تعداد کمی از آن‌ها نیز بر سطح غشای شبکه آندوپلاسمی به صورت متصل قرار دارند.

ریبوزوم‌ها با رمزگشایی از کدهای ژنتیکی پروتئین‌ها را تولید می‌کنند. هیچ RNA ریبوزومی برای همیشه بر روی غشای شبکه آندوپلاسمی باقی نمی‌ماند، محل قرارگیری آن‌ها با توجه به پروتئینی که تولید می‌کنند، تعیین می‌شود. در سلول‌های انسانی یا در سایر جانوران، در حدود 10 میلیون ریبوزوم وجود دارد. گاهی ممکن است تعداد بسیار زیادی از ریبوزوم‌ها بر روی یک رشته mRNA برای تولید پروتئین حرکت کنند، به این ساختار �پلی‌زوم� (Polysome) می‌گویند.

تصویر 9: ساختار پلی زوم در تصاویر میکروسکوپی

اصطلاحات مربوط به ریبوزوم

• �ریبوزیم� (Ribozyme): مولکول‌های RNAای که به عنوان کاتالیست‌های بیولوژیکی عمل می‌کنند، ریبوزیم نام دارند. ریبوزیم‌ها برای تشکیل پیوندهای پپتیدی در ریبوزوم‌ها وارد عمل می‌شوند.
• �RNA ریبوزومی� (Ribosomal RNA): مولکول‌های RNAای که در ساختمان ریبوزوم حضور دارند و برخی از آن‌ها به عنوان ریبوزیم عمل کرده و واکنش‌ها را کاتالیز می‌کنند از جمله RNAهای ریبوزومی هستند.
• �ریبونوکلئیک اسید� (Ribonucleic Acid): این مولکول که به RNA معروف است، مولکول‌های تک رشته‌ای است که کدها و اطلاعات ژنتیکی را با خود حمل می‌کند.
• �دی اکسی ریبونوکلئیک اسید� (Deoxyribonucleic Acid): مولکول‌های DNA، در واقع مولکول‌های دو رشته‌ای و بسیار پایداری هستند که اطلاعات ژنتیکی ارگانیسم‌ها را در بر می‌گیرند. این مولکول از 4 نوع باز آلی تشکیل می‌شود.
• پلی‌زوم: یک ساختار پلی‌زوم گروهی از دو یا چند ریبوزوم است که یک توالی mRNA را به صورت همزمان ترجمه می‌کنند. این ساختارها در تصاویر میکروسکوپی به شکل رشته‌ها و دانه‌هایی قابل مشاهده هستند. در پروکاریوت‌ها ممکن است پلی‌زوم‌ها زمانی که mRNA در حال رونویسی است، شروع به ترجمه آن کرده و پروتئین‌ها را سنتز کنند.

نگارش و گردآورنده: رضا رحیمی

منبع: زیست شناسی سال سوم تجربی وبر گرفته از اطلاعات فرادرس