Nobel-díjas kémia 2018
A kémiai tudomány doktora Peter Sergiev, a moszkvai Állami Egyetem. M.V. Lomonosov.
Az idei kémiai Nobel-díjat kapta az amerikai Tom Staytsu a Yale Egyetem, a brit tudós Venkatramanu Ramakrishnan Laboratórium Molekuláris Biológiai Cambridge-ben, és a professzor a Weizmann (Izrael) Ada Yonath. Ezek a kutatók meghatározzák a riboszóma szerkezetét.
A sejt kb. 25 nm méretű riboszómák tízezreit tartalmazza. Egyesek az endoplazmatikus retikulum membránjaihoz vannak kötve, mások a citoplazmában lokalizálódnak.
Röntgen-szinkrotron sugárzást használnak a riboszómák kristályosodásához.
A bakteriális riboszóma atomi szerkezete. A riboszómális RNS molekulák narancssárga színűek, a kis részecskék fehérje kék, a nagy részecske fehérjéi zöldek.
riboszóma munka több lépésben kell elvégezni: a kötődését amino-acil-tRNS, peptid szállítás a peptidil-tRNS, hogy az aminoacil-tRNS transzlokáció (mozgó mRNS egy kodon és tRNS A-helytől a P helyén), ápolási „üres” tRNS.
Mi a riboszóma és hogyan működik? Miért van szükség annak tanulmányozására, és különösen, miért olyan fontos volt meghatározni ennek a hatalmas makromolekuláris komplexnek a szerkezetét? Hogyan használhatja ezt a tudást a gyakorlatban? Megpróbáljuk megválaszolni ezeket a kérdéseket.
Nukleotid és aminosav "ALPHABETS"
Valószínűleg mindenki hallotta, hogy a DNS-ben tárolt információ arról, hogyan épül fel egy szervezet - egy élő sejt "könyvtárának". Fehérje - a fő molekuláris „munkások” a cellában: ők végeznek az átalakulás az anyag és az energia, a mozgásáért felelős sejtek alkotnak a „csontváz”, részt vesz a genetikai információ átadását, hanem számos egyéb funkciókat. Élettartama egy adott időben a sejt a genetikai információnak csak egy kis részét használja fel. A "jelenlegi iránymutatásokat" a DNS külön szakaszaiból másoljuk rövid "üzenetek" formájában - mRNS-molekulák (mátrix-RNS) formájában.
Riboszóma - egy kis szabálytalan alakú intracelluláris forma, amely két egyenlőtlen "fél" -ből áll. Nagyon fontos funkciót lát el: "olvassa" az mRNS üzeneteket, majd ezeket a "üzeneteket" szintetizálja a fehérjemolekulákkal. Ezt a folyamatot fordításnak nevezik. A riboszóma problémája nagyon bonyolult. Végül is a fehérjék nem nukleotidokból, hanem alapvetően más építőelemekből - aminosavakból állnak. És csak négy nukleotid és húsz aminosav van.
Hogyan változik meg a négy nukleotidban található információ aminosavkód? Az a tény, hogy mindegyik aminosavat titkosították három "betű" nukleotiddal. A nukleotid ábécéből négy betűből 64 három betűs "szavak" - kodon lehet. Minden kodon saját specifikus aminosavval rendelkezik. Mivel a kodonok (64) nagyobbak, mint az aminosavak (20), néhány aminosavat több kodon kódol. A genetikai kód megfejtésére Marshall Nirenberg, Gobind Koran és Robert Holly 1968-ban elnyerte az orvostudományi Nobel-díjat.
ÁTLAGOSÍTÁS RIBOSOMÁBAN
Milyen kritériumok alapján ismeri fel a kodonokat a riboszóma, hogyan emlékszik arra, hogy melyik kodon felel meg az aminosavnak? Paradox módon a riboszóma nem "tud" semmit, és nem "emlékszik" semmire. A sejt, vannak speciális kis RNS-molekulák úgynevezett tRNS-ek, vagy szállító, „magára”, és felismerik a megfelelő aminosav az aminosav kodon a mRNS-molekula. Minden tRNS csak "saját" aminosavat tartalmaz. Az ötlet, hogy a tRNS lehet egyfajta „adapter” a kodon és aminosavat tartalmaz, azt javasolták az ötvenes években az amerikai tudós, a jövő Nobel-díjas Francis Crick.
A genetikai információ fordítása a riboszómában a következőképpen történik. Különleges enzimek, amelyeknek erős kémiai kötése "varr" a megfelelő aminosavhoz a tRNS-molekulához. Ebben az esetben a tRNS-t egy bagelhez vagy a G betűhöz hasonló szerkezetbe hajtjuk. Az ilyen "bagel" végén egy aminosav és egy úgynevezett antikodon van. Az antikodon felismeri a megfelelő kodont az mRNS-ben, ezáltal az aminosavat a fehérje molekula "összeszerelésének" helyére szállítja.
Valójában a tRNS sejtes "fordítóként" szolgál a "nyelv" nukleotidtól az aminosavig. A riboszóma munkája egy olyan aminosavnak megfelelő tRNS molekula kiválasztása, amely egy adott időpontban szükséges a fehérje lánc kialakításához. Ezt az információ-olvasási folyamatot dekódolásnak nevezik. Ezt a két egyenlőtlen részrészecskék kisebbiként végzi, amelyből a riboszóma áll. A nagyobb részszekvencián az aminosavakat egy láncba - egy új fehérjemolekulához térhálósítjuk.
HOGYAN A RIBOSOMÁT TERVEZETT. A MUTATKOZÁS
Hogyan hat a riboszóma ilyen hatalmas számú kölcsönható molekulát és hogyan rendezi ezt a molekuláris "növényt"? Kémiai szempontból a riboszóma RNS és fehérjék keveréke. Háromféle RNS-molekulát tartalmaz, számos riboszomális fehérjével, amelyek riboszóma RNS-hez kapcsolódnak. A baktériumok esetében egy kis részkomponens összetétele 21 egyedülálló fehérjét tartalmaz, és egy nagy 33-at. A riboszóma teljes tömegét megadaltonnal mérjük. Az összehasonlítható vírusrészecskékkel ellentétben a riboszómának nincsenek szimmetrikus elemei, ami rendkívül nehéz megvizsgálni annak szerkezetét.
A tudósok régóta vizsgálják a riboszóma elrendezését. E célból az elektronmikroszkópiás módszert alkalmazták, amelyet sikeresen alkalmaztak a Szovjetunióban az Orosz Tudományos Akadémia megfelelő tagjával Nikolai Kiselev (a Kristálytani Intézet Laboratóriumának vezetője,
VA Shubnikov, RAS) és Viktor Dmitrievich Vasiliev professzor (az Orosz Tudományos Akadémia Protein Intézete). Jelenleg javított technikát alkalmaznak, úgynevezett cryoelectron microscopy. Ennek a módszernek köszönhetően az 1990-es évek végén a két vezető laboratórium, az angliai Marina Van Hill és az USA-beli Johima Frank legyőzte a 20 angström felbontó erejét. Most a krioelektromos mikroszkópia felbontása közel 5-7 angström. Lehetővé vált, hogy "látják" az RNS spirálokat és a fehérjék egyéni doménjét, de még mindig nem elég megérteni a riboszóma szerkezetének részleteit.
Ugyanakkor a riboszóma szerkezetének kémiai vizsgálatát végeztük el. Így, a tudományos laboratóriumokban Alexei Bogdanov, alatt professzor Olga Anatolevny Dontsova (Department of Chemistry MSU) egy kémiai térhálósító azt pontosan meghatározott molekuláris környezet mRNS riboszóma. Németországban, Richard Brimakomb (Institute of Molecular Genetics. Max Planck) eredményeit összehasonlítva cryoelectron mikroszkópos és kémiai keresztkötés, létrehozott egy modellt a szerkezet a riboszóma, mint később kiderült, elég pontos.
NOBEL STRUKTÚRA
MIÉRT NEM TUDJA A RIBOSOMOK SZERKEZETÉT
Nos, a riboszóma szerkezetét nehéz meghatározni. A másik kérdés az, hogy van-e értelme. Kétségtelen, hogy a riboszóma struktúrája nem csak az RNS és a fehérjék kölcsönhatásának megértését gazdagította, ez a megértést alapvetően új szintre emelte. Bizonyított, hogy a tudósok régóta kitaláltak: a riboszómában az RNS nemcsak strukturális, hanem minden más alapvető funkciót is ellát. Miért érdekes? Ez bizonyítja, hogy a riboszóma jött hozzánk a fehérjéből, az úgynevezett RNS-világból.
Hosszú idő elteltével nem volt egyértelmű a tudósok számára, hogyan jelentek meg az élő sejtek örökletes információinak átvitelére szolgáló mechanizmusok. A DNS nem képes másolni magát, mert ehhez fehérjemolekulákra van szükség. A fehérjék szintéziséhez viszont szükség van az RNS kódolására, amely fehérjéket használó DNS-sel is olvasható. Ennek eredményeképpen mindhárom alapvető biomolekula ok-okozati kapcsolatban áll egymással.
Az RNS világában az a gondolat, hogy a fehérjék és a későbbi DNS megjelenése előtt az örökletes információk katalitikus funkcióit és tárolási funkcióit RNS-molekulákkal végezték. Most, köszönhetően az új Nobel-díjasok megnyitásának, végül egyértelmű volt, hogy a riboszóma az RNS világából jött hozzánk. Valójában megjelenése a fehérje világának kezdetét jelentette, mert a riboszóma RNS-alapú fehérjék gyártója.
A riboszóma atomos felbontással történő meghatározása feltétlen áttörés az alapkutatás területén, valamint egy egyedülálló lehetőség új gyógyászati készítmények tervezésére és létrehozására. Megint csodálhatjuk ezt a Nobel-díjas eredményt, és további felfedezéseket kívánunk.
A RIBOSOMOK MUNKÁJA: A FORDÍTÁSRŐL ÉS A FORRÁCIÓHOZ
A fordítás mechanizmusa meglehetősen bonyolult. Röviden, a működés riboszóma tRNS áthalad a különbség a két riboszomális alegységek egymás alá három tRNS kötődési „zseb”. Az első „zseb” (A-site) kötődik komplex tRNS, és aminosavak (amino-acil-tRNS), a második „zseb” (R-rész) van tRNS-ek, hogy a riboszóma jött olvasása közben az előző kodon (peptidil-tRNS). Ezzel a tRNS kapcsolódik nem csak a „saját” egy aminosav, de az egész fehérjemolekula szintetizált abban a pillanatban. Valójában a lánc aminosavak térhálósító eljárás a átadása a naszcens peptid a tRNS ezen most érkezett az első „zseb” a komplex tRNS-t egy aminosav. Ebben az újonnan érkezett tRNS tulajdonít magának a teljes riboszóma fehérje szintetizálódik. A protein molekulát hordozó tRNS "üres" lesz.