Ribosome

Ribosome là một cơ quan trong tế bào thực hiện chức năng tổng hợp chuỗi peptide dựa trên mã di truyền từ RNA thông tin.

Đây là một cấu trúc phân tử lớn và phức tạp, có mặt trong tất cả các tế bào sống, nơi thực hiện quá trình tổng hợp protein. Ribosome kết nối các amino acid theo đúng trình tự được mã hóa bởi phân tử mRNA. Nó bao gồm hai tiểu đơn vị chính - tiểu đơn vị nhỏ đọc mRNA, trong khi tiểu đơn vị lớn kết nối các amino acid để tạo thành chuỗi polypeptide. Mỗi tiểu đơn vị bao gồm một hoặc nhiều phân tử RNA ribosome (rRNA) và nhiều phân tử protein.

Từ 'ribosome' xuất phát từ 'ribonucleic acid' (thành phần chính của cơ quan này) và từ tiếng Hy Lạp 'soma' có nghĩa là 'thể'.

Trình tự của DNA mã hóa cho một protein có thể được sao chép thành nhiều bản sao của RNA thông tin (mRNA) với trình tự tương tự. Ribosome có khả năng liên kết với một chuỗi mRNA và sử dụng nó như khuôn mẫu để xác định trình tự chính xác của các amino acid trong protein. Các amino acid được chọn lựa, thu gom và mang đến ribosome bởi RNA vận chuyển (tRNA), sau đó vào phần của ribosome và kết nối với chuỗi mRNA. Các amino acid sẽ được liên kết với nhau bởi một phần khác của ribosome. Khi protein được tổng hợp, nó có thể gấp lại thành cấu trúc 3 chiều với chức năng chuyên biệt.

Ribosome, được cấu tạo từ sự kết hợp giữa RNA và protein, được gọi là ribonucleoprotein. Mỗi ribosome chia thành hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ hơn gắn với các mẫu mRNA, trong khi tiểu đơn vị lớn hơn kết nối với tRNA và các amino acid. Khi hoàn thành việc đọc mRNA, hai tiểu đơn vị tách rời nhau. Ribosome cũng hoạt động như một enzyme ribozyme, với chức năng xúc tác phản ứng peptidyl transferase để liên kết các amino acid, thực hiện bởi các RNA ribosome. Ribosome thường được phân bố trên các màng nội bào của hệ thống mạng lưới nội chất hạt.

Ribosome ở vi khuẩn, cổ khuẩn và sinh vật nhân thực (ba lĩnh vực của sự sống trên Trái Đất) có sự khác biệt về kích thước, trình tự, cấu trúc và tỷ lệ giữa protein và RNA. Những khác biệt này cho phép một số thuốc kháng sinh tấn công ribosome của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến ribosome của con người. Ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ, nhiều ribosome có thể di chuyển dọc theo một chuỗi mRNA cùng lúc, mỗi ribosome 'đọc' và tổng hợp một phân tử protein tương ứng. Ribosome trong ti thể của tế bào nhân thực hoạt động tương tự như ribosome vi khuẩn, phản ánh khả năng tiến hóa của ti thể.

Khám phá

Ribosome lần đầu tiên được nhà tế bào học người Rumani, George Emil Palade, phát hiện vào giữa thập niên 1950 qua kính hiển vi điện tử, hiện lên dưới dạng các hạt dày đặc. Tên 'ribosome' được nhà khoa học Richard B. Roberts đặt ra vào năm 1958.

Năm 1974, George Emil Palade cùng Albert Claude và Christian de Duve được trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học vì phát hiện ribosome. Giải Nobel Hóa học năm 2009 được trao cho Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz và Ada E. Yonath vì đã làm rõ cấu trúc chi tiết và cơ chế hoạt động của ribosome.

Mô tả cấu trúc

Ribosome bao gồm hai phần kết hợp với nhau (Hình 2) để chuyển hóa mRNA thành chuỗi polypeptide trong quá trình tổng hợp protein (Hình 1). Do được tạo thành từ hai phần có kích thước khác nhau, chúng dài hơn một chút so với đường kính của chúng. Ribosome ở sinh vật nhân sơ có đường kính khoảng 20 nm (200 Å) và bao gồm 65% RNA ribosome và 35% protein ribosome. Ribosome ở sinh vật nhân thực có đường kính từ 25 đến 30 nm (250-300 Å) với tỷ lệ rRNA so với protein gần như bằng nhau. Ribosome của vi khuẩn có một hoặc hai chuỗi rRNA, trong khi ribosome của sinh vật nhân thực có một hoặc ba phân tử rRNA lớn (gọi là ribosome RNA) và nhiều phân tử protein nhỏ hơn. Nghiên cứu tinh thể học cho thấy không có protein ribosome gần các mặt phản ứng trong quá trình tổng hợp polypeptide, cho thấy các protein ribosome hoạt động như một lớp tạm thời, hỗ trợ khả năng của rRNA trong tổng hợp protein hơn là tham gia trực tiếp vào phản ứng (Xem: Ribozyme).

Ribosome chuyển đổi các chuỗi polypeptide (tức là protein) từ thông tin di truyền trong RNA bằng cách sử dụng các amino acid được cung cấp bởi RNA vận chuyển (tRNA). Khi ribosome tách ra, nó sẽ gắn vào cytosol (phần chất lỏng trong tế bào), trong khi những ribosome khác gắn vào lưới nội chất, làm cho chúng có vẻ ngoài thô ráp, do đó còn được gọi là mạng lưới hạt. Dù việc xúc tác liên kết peptide liên quan đến nhóm hydroxyl C2 của RNA tại P-site (xem phần Chức năng sau đây) adenosine trong cơ chế trao đổi protein, các bước khác trong tổng hợp protein (như chuyển vị) là do sự thay đổi trong quá trình tổng hợp protein. Vì xúc tác chính được thực hiện bởi RNA, ribosome được phân loại là 'ribozymes' và có thể là di tích cuối cùng của nhóm RNA.

Ribosome đôi khi được gọi là bào quan, nhưng thuật ngữ này thường chỉ dành cho các cấu trúc tế bào có màng phospholipid; trong khi ribosome chỉ là các hạt, không có màng. Vì lý do đó, ribosome thường được gọi là 'bào quan không màng.'

Cấu trúc và chức năng của ribosome cùng với các phân tử liên quan, được gọi là hệ thống dịch mã, đã thu hút sự chú ý nghiên cứu từ giữa thế kỷ XX và tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu phổ biến đến hiện tại.

Cấu trúc

Các tiểu đơn vị ribosome ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực có sự tương đồng đáng kể.

Đơn vị đo lường ribosome là Svedberg, đo tốc độ lắng đọng trong ly tâm thay vì kích thước thực tế. Điều này giải thích tại sao các tên đơn vị, mặc dù có số, không phản ánh kích thước toán học (chẳng hạn như 70S bao gồm 50S và 30S).

Ribosome của sinh vật nhân sơ có kích thước 70S, với mỗi ribosome bao gồm một tiểu đơn vị nhỏ (30S) và một tiểu đơn vị lớn (50S). Tiểu đơn vị nhỏ chứa một RNA 16S (1540 nucleotide) liên kết với 21 protein. Tiểu đơn vị lớn bao gồm một RNA 5S (120 nucleotide), một RNA 23S (2900 nucleotide) và 31 protein. Việc đặt tên cho các phần tRNA kết nối trên ribosome E. coli đã giúp xác định các protein trên các phần A và P, liên quan đến hoạt động peptidyl transferase (hình thành liên kết peptid); các protein này được đặt tên như L27, L14, L15, L16, L2, với L27 nằm ở bên cho, như đã được E. Collatz và AP Czernilofsky chứng minh. Nghiên cứu thêm cho thấy các protein S1 và S21, kết hợp với đuôi 3' của RNA 16S, tham gia vào khởi động dịch mã.

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

Ribosome trong lục lạp và ti thể của sinh vật nhân thực cũng bao gồm các tiểu đơn vị lớn và nhỏ liên kết với các protein, tạo thành cấu trúc 70S. Các bào quan này được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn (theo thuyết nội cộng sinh) vì ribosome của chúng tương tự như ribosome của vi khuẩn.

Dù các ribosome có kích thước rất khác nhau, chúng đều chia sẻ một cấu trúc cốt lõi tương tự. Phần lớn RNA được sắp xếp thành các chuỗi với cấu trúc bậc ba khác nhau, chẳng hạn như các pseudoknots (nút giả) cho thấy sự xếp chồng đồng trục. RNA bổ sung trong ribosome lớn hơn thường nằm trong các đoạn chèn dài liên tục, tạo thành các vòng quanh cấu trúc cốt lõi mà không làm gián đoạn hay thay đổi nó. Toàn bộ hoạt động xúc tác của ribosome được thực hiện bởi RNA, trong khi các protein chỉ nằm trên bề mặt và có nhiệm vụ ổn định cấu trúc.

Các khác biệt giữa ribosome vi khuẩn và ribosome nhân thực đã được các nhà hóa học dược phẩm khai thác để phát triển các loại thuốc kháng sinh có khả năng tiêu diệt vi khuẩn mà không gây hại cho tế bào người. Nhờ sự khác biệt trong cấu trúc, ribosome 70S của vi khuẩn dễ bị ảnh hưởng bởi kháng sinh, trong khi ribosome 80S của sinh vật nhân thực thì không bị tác động. Mặc dù ti thể có ribosome tương tự như vi khuẩn, nhưng chúng không bị kháng sinh ảnh hưởng vì ti thể được bảo vệ bởi hai lớp màng ngăn chặn kháng sinh xâm nhập vào trong bào quan.

Cấu trúc phân giải cao

Từ đầu những năm 1970, cấu trúc phân tử chung của ribosome đã được hiểu rõ. Đến đầu những năm 2000, cấu trúc đã được xác định với độ phân giải rất cao, đạt đến mức một vài Å.

Cuối năm 2000, những nghiên cứu đầu tiên về cấu trúc ribosome ở độ phân giải gần nguyên tử được công bố gần như đồng thời. Tiểu đơn vị 50S (đại diện cho ribosome của sinh vật nhân sơ lớn) đã được xác định từ Haloarcula marismortui và Deinococcus radiodurans, trong khi cấu trúc tiểu đơn vị 30S được xác định từ Thermus thermophilus. Những nghiên cứu này đã giành giải Nobel Hóa học năm 2009. Vào tháng 5 năm 2001, các nghiên cứu này đã được dùng để tái tạo toàn bộ hạt T. thermophilus 70S với độ phân giải 5,5 Å.

Vào tháng 11 năm 2005, hai bài báo được công bố về cấu trúc của ribosome 70S từ Escherichia coli. Một cấu trúc của ribosome khuyết đã được xác định với độ phân giải 3,5 Å nhờ chụp X-quang tinh thể. Hai tuần sau, một cấu trúc dựa trên hiển vi cryo-electron được công bố, mô tả ribosome với độ phân giải từ 11 Å đến 15 Å trong quá trình đưa một sợi protein mới vào các kênh tạo protein.

Những cấu trúc nguyên tử đầu tiên của ribosome với tRNA và phân tử mRNA đã được giải quyết nhờ tinh thể học tia X bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập, đạt độ phân giải 2,8 Å và 3,7 Å. Những cấu trúc này cho phép quan sát chi tiết các tương tác của ribosome từ Thermus thermophilus với mRNA và tRNA gắn kết tại các ribosome điển hình. Các tương tác của ribosome với mRNA dài chứa chuỗi Shine-Dalgarno cũng được tạo hình ở độ phân giải từ 4,5 đến 5,5 Å.

Năm 2011, cấu trúc nguyên tử hoàn chỉnh đầu tiên của ribosome nhân thực 80S từ nấm men Saccharomyces cerevisiae được thu thập bằng phương pháp tinh thể học. Mô hình này làm rõ kiến trúc của các yếu tố nhân sơ và sự tương tác của chúng với lõi ribosome được bảo tồn rộng rãi. Đồng thời, các mô hình hoàn chỉnh của ribosome nhân thực 40S từ Tetrahymena thermophila cũng được công bố, mô tả cấu trúc của tiểu đơn vị 40S và sự tương tác giữa tiểu đơn vị 40S với eIF1 trong giai đoạn bắt đầu dịch mã. Tương tự, cấu trúc tiểu đơn vị 60S nhân thực cũng được xác định từ Tetrahymena thermophila và chi tiết hóa bằng eIF6.

Chức năng

Ribosome là cấu trúc quan trọng trong tế bào giúp tổng hợp protein. Các protein này cần thiết cho nhiều chức năng của tế bào, bao gồm sửa chữa hỏng hóc và điều phối các phản ứng hóa học. Ribosome có mặt bên ngoài nhân tế bào và có thể lơ lửng trong chất tế bào hoặc gắn vào mạng lưới nội chất.

Dịch mã

Ribosome đóng vai trò chủ chốt trong quá trình tổng hợp protein, hay còn gọi là dịch mRNA thành protein. mRNA chứa một chuỗi các đơn vị mã mà ribosome sử dụng để xác định trình tự các amino acid cần thiết cho việc tổng hợp protein. Bằng cách sử dụng mRNA như một khuôn mẫu, ribosome đọc từng đơn vị mã (3 nucleotide) của mRNA và kết hợp nó với amino acid tương ứng thông qua aminoacyl-tRNA. Aminoacyl-tRNA mang một bộ ba đối mã (anti-codon) ở một đầu và amino acid ở đầu còn lại. Các tiểu đơn vị nhỏ của ribosome thường gắn với aminoacyl-tRNA chứa amino acid methionine, liên kết với một đơn vị mã AUG trên mRNA để hình thành các tiểu đơn vị ribosome lớn. Ribosome có ba vùng liên kết RNA: A, P và E. Vùng A liên kết với aminoacyl-tRNA, vùng P liên kết với peptidyl-tRNA (tRNA gắn với peptide đã tổng hợp), và vùng E liên kết với tRNA tự do trước khi tRNA rời ribosome. Quá trình tổng hợp protein bắt đầu tại bộ ba mã khởi đầu AUG gần đầu 5’ của mRNA, với mRNA gắn vào vùng P của ribosome trước. Ribosome có thể xác định các đơn vị mã khởi đầu bằng chuỗi Shine-Dalgarno ở mRNA nhân sơ và hộp Kozak ở sinh vật nhân thực.

Dù xúc tác liên kết peptide liên quan đến nhóm hydroxyl C2 của adenosine tại P-site của RNA trong cơ chế vận chuyển proton, các bước khác trong tổng hợp protein (như dịch vị trí) được kích thích bởi sự thay đổi hình thể của protein. Vì các lõi xúc tác của ribosome được thực hiện bởi RNA, ribosome được phân loại là 'ribozyme' và có thể là phần còn lại của thế giới RNA nguyên thủy.

Trong Hình 5, các tiểu đơn vị ribosome (nhỏ và lớn) bắt đầu quá trình tổng hợp protein tại bộ ba mã khởi đầu ở đầu 5' của RNA. Ribosome sử dụng RNA tương ứng với bộ ba hiện tại trên mRNA để thêm một amino acid vào chuỗi polypeptide. Quá trình này tiếp tục với từng bộ ba trên RNA, trong khi ribosome di chuyển về phía đầu 3' của mRNA. Thường thì trong tế bào vi khuẩn, nhiều ribosome hoạt động đồng thời trên cùng một RNA, khiến phiên mã và dịch mã diễn ra cùng lúc, hiện tượng này gọi là polyribosome hay polysome.

Vị trí của Ribosome

Ribosome được phân loại thành hai loại: 'tự do' hoặc 'có màng giới hạn'.

Ribosome tự do và ribosome có màng giới hạn chỉ khác nhau về phân bố không gian, còn về cấu trúc thì hoàn toàn giống nhau. Dù ribosome ở trạng thái tự do hay có màng giới hạn đều phụ thuộc vào sự hiện diện của mạng lưới nội chất (ER) và mục tiêu của protein đang được tổng hợp. Ribosome có thể hoạt động như ribosome có màng giới hạn khi đang tạo ra một loại protein nhất định, nhưng cũng có thể tồn tại dưới dạng ribosome tự do trong tế bào chất khi tổng hợp một loại protein khác.

Ribosome đôi khi được gọi là bào quan, nhưng thuật ngữ bào quan thường chỉ các cấu trúc tế bào có màng phospholipid, điều mà ribosome không có. Do đó, ribosome thường được mô tả là 'bào quan không màng'.

Ribosome tự do

Ribosome tự do có thể di chuyển tự do trong bào tương nhưng không thể vào nhân tế bào hoặc các cơ quan khác. Các protein được tổng hợp từ ribosome tự do sẽ được thải vào bào tương và thực hiện chức năng trong tế bào. Trong môi trường tế bào chất có nồng độ glutathione cao, môi trường khử này không hỗ trợ sản xuất protein chứa liên kết disulfide (do dư lượng amino acid chứa lưu huỳnh bị oxy hóa) trong khu vực này.

Ribosome có màng giới hạn

Khi ribosome bắt đầu tổng hợp protein trong các cơ quan tế bào nhất định, nó có thể trở thành ribosome 'có màng giới hạn'. Trong tế bào nhân thực, quá trình này diễn ra tại một phần của mạng lưới nội chất (ER) gọi là 'ER thô'. Các chuỗi polypeptide mới sẽ được chèn trực tiếp vào ER và sau đó vận chuyển qua con đường bài tiết. Ribosome gắn với ER thường tổng hợp protein cho màng tế bào hoặc cho xuất bào khỏi tế bào.

Thuyết về sự hình thành ribosome

Trong tế bào vi khuẩn, ribosome được tạo ra trong bào tương qua quá trình phiên mã từ các gen ribosome trong operon. Đối với sinh vật nhân thực, quá trình này diễn ra đồng thời ở bào tương và hạch nhân. Việc tập hợp ribosome đòi hỏi sự phối hợp của hơn 200 protein trong việc tổng hợp và chức năng của bốn rRNA, cùng với sự kết hợp của các rRNA với các protein ribosome.

Liên kết ngoài

• Máy tính phòng thí nghiệm mô phỏng ribosome trong chuyển động
• Vai trò của Ribosome, Gwen V. Childs, sao chép tại đây
• Ribosome trong Proteopedia—Từ điển 3D miễn phí, cộng tác về protein và các phân tử khác
• Các gia đình protein ribosome trong ExPASy Lưu trữ ngày 30-04-2011 tại Wayback Machine
• Molecule of the Month Lưu trữ ngày 27-10-2009 tại Wayback Machine © RCSB Protein Data Bank:
  • Ribosome Lưu trữ ngày 14-11-2010 tại Wayback Machine
  • Các yếu tố kéo dài Lưu trữ ngày 16-03-2011 tại Wayback Machine
  • Palade
• Cấu trúc ribosome 3D electron microscopy tại Ngân hàng Dữ liệu EM (EMDB)
• Bài viết này sử dụng tài liệu từ Science Primer phát hành tại NCBI, thuộc phạm vi công cộng vì là tác phẩm của chính quyền liên bang Hoa Kỳ [1].