Optimizacija za lastno proizvodnjo lahko razloži skrivnostne značilnosti ribosoma

Anonim

Optimizacija za samoproizvajanje lahko pojasni ključne značilnosti ribosomov, tovarn za proizvodnjo beljakovin v celici, poroča raziskovalcem iz medicinske šole Harvard v naravi 20. julija.

V novi študiji je skupina, ki jo je vodil Johan Paulsson, profesor sistemske biologije na medicinski šoli Harvard, matematično pokazala, da so ribosomi natančno strukturirani za izdelavo dodatnih ribosomov čim hitreje, da bi podprli učinkovito rast in razdelitev celic.

Teoretične napovedi te študije natančno odražajo opažene obsežne značilnosti ribosomov - razkrivajo, zakaj so narejeni iz nenavadno velikega števila majhnih, enakomerno velikih proteinov in nekaj pramenov RNK, ki se zelo razlikujejo po velikosti - in zagotavljajo perspektivo razvoja evolucije izjemen molekularni stroj.

"Ribosom je eden od najpomembnejših molekularnih kompleksov v celotnem življenju, ki ga že desetletja preučujejo znanstvene discipline, " je dejal Paulsson. "Vedno sem bil zmeden zaradi dejstva, da se je zdelo, da bi lahko pojasnili svoje natančnejše podrobnosti, vendar imajo ribosomi te bizarne značilnosti, ki se jih pogosto ni obravnavalo ali če je tako nezadovoljivo."

Vsaka živa celica, bodisi posamezna bakterija ali človeški nevron, je biološki sistem dinamičen in kompleksen kot vsako mesto. Vsebujejo v celicah stene, avtoceste, elektrarne, knjižnice, centri za recikliranje in še veliko več, vsi skupaj delujejo skupaj, da bi zagotovili nadaljevanje življenja.

Velika večina teh številnih struktur je izdelana iz beljakovin. Te beljakovine izdelujejo ribosomi.

Skrivnostne značilnosti

Čeprav so znanstveniki odklenili, kako ribosomi spreminjajo genetske informacije v proteine ​​pri atomski ločljivosti, razkrivajo molekularni stroj, ki je natančno nastavljen za natančnost, hitrost in nadzor, ni bilo jasno, kakšne prednosti so določene v večjih velikostnih značilnostih.

Ribosomi so sestavljeni iz puzzlingly velikega števila različnih strukturnih proteinov - kjerkoli od 55 do 80, odvisno od vrste organizma. Ti proteini niso le večji od pričakovanih, so nenavadno kratki in enotni v dolžini. Ribosomi so prav tako sestavljeni iz dveh ali treh sklopov RNK, ki predstavljajo do 70 odstotkov celotne mase ribosomov.

"Brez razumevanja, zakaj obstajajo kolektivne značilnosti, je videti kot videti v gozdu in razumeti, kako delujejo kloroplasti in fotosinteza, in ne moremo pojasniti, zakaj so drevesa namesto trava, " je dejal Paulsson.

Tako sta Paulsson in njegovi sodelavci Shlomi Reuveni, postmoderni sodelavec HMS, in Måns Ehrenberg z univerze Uppsala na Švedskem, odločili, da pogledajo na ribosom v drugačni luči.

"Naš prodor je prišel, tako da se je z atomom približal in pogledal ribosom iz nove perspektive", je dejal Reuveni. "Ribosom ni bil mišljen kot stroj, ki proizvaja beljakovine, temveč kot proizvod beljakovinskega procesa".

Gozd za drevesa

Za razdelitev celice mora imeti dve polni skupini ribosomov, da bi naredili vse proteine, ki jih potrebujejo hčerinske celice. Hitrost, s katero se lahko ribosomi naredijo sami, zato postavlja trdno omejitev na to, kako hitro pride do celične delitve. Paulsson in njegovi kolegi so razvili teoretične matematične modele, na katere bi morale videti značilnosti ribosoma, če bi bila hitrost primarni selektivni tlak, ki je povzročil njen razvoj.

Ekipa je izračunala, da je razdelitev naloge izdelave novega ribozoma med številnimi ribosomi - vsak, ki izdeluje majhen košček končnega proizvoda - lahko poveča stopnjo proizvodnje za kar 30 odstotkov, saj vsak novi ribosom pomaga pri ustvarjanju več ribosomov takoj, ko Ustvarjajo se, pospešujejo proces.

To predstavlja ogromno prednost za celice, ki jih je treba hitro razdeliti, kot so bakterije. Vendar pa je postopek proizvodnje beljakovin potreben čas za začetek in ta režijski strošek omejuje število proteinov, iz katerih je mogoče izdelati ribozom, v skladu z matematično metodo.

Modeli ekipe so napovedovali, da je treba za maksimalno učinkovitost samo-proizvodnje ribosom narediti med 40 in 80 beljakovin. Vsak od teh beljakovin mora biti približno trikrat manjši od povprečnega celičnega proteina, vsi pa morajo biti približno podobni.

Izkazalo se je, da teorija raziskovalcev, razvita popolnoma neodvisno od laboratorija, natančno odraža opazovano sestavo proteina ribosoma.

"Analogija za naše ugotovitve je, da ribosomi ne mislimo kot skupino tesarjev, ki zgrajajo le veliko hiš, temveč kot tesarje, ki gradijo tudi druge tesarje, " je dejal Paulsson. "Obstaja torej spodbuda, da se delo razdeli na veliko majhnih kosov, ki jih je mogoče vzporedno opraviti, da hitreje sestavite še en popolni tesar, ki bo pomagal pri tem procesu."

Teorija in resničnost

Paulsson in njegovi kolegi so preučevali tudi ribosomsko RNA, ki deluje kot strukturna komponenta in izvaja encimsko aktivnost ribosoma, ki povezuje aminokisline skupaj v beljakovine.

Njihova analiza je pokazala, da je več RNK, iz katerega je izdelan ribozom, hitreje se lahko proizvede. To je zato, ker lahko celice naredijo ribosomsko RNA precej hitreje kot beljakovine. Tako se zdi, da so encimi RNK manj učinkoviti od encimov beljakovin, ribosomi imajo ogromen tlak, da uporabijo čim večje količine RNK, da bi povečali hitrost, na kateri je mogoče narediti več ribosomov.

"Vsako mesto, kjer se ribosom lahko izogne ​​z uporabo RNK, ga je treba uporabiti, saj se lahko hitrost samo-proizvodnje v bistvu podvoji ali poveča, " je povedal Paulsson. "Tudi če je bila RNA v primerjavi s proteinom za encimsko funkcijo slabša, je še vedno velika prednost uporabe RNK, če celica poskuša čim prej proizvesti ribosome."

Po napovedih naj bi se ta opazovanja ohranila predvsem za samozaposlene ribosome. Večina drugih struktur v celici se ne proizvaja samodejno in lahko žrtvuje hitrost proizvodnje za stabilnost in učinkovitost, zagotovljeno z uporabo beljakovin namesto RNK.

Skupaj, ekipa teorija natančno napoveduje obsežne značilnosti ribosoma, ki so vidni na področjih življenja. Pojasnjuje, zakaj najhitreje rastoči organizmi, kot so bakterije, imajo najkrajše ribosomske proteine ​​in največjo količino ribosomske RNK. Na nasprotnem koncu spektra so mitohondrije - elektrarne evkariontskih celic, za katere se domneva, da so nekoč bile bakterije, ki so vstopile v trajno simbiozno stanje. Mitohondrije imajo svoje ribosome, ki se ne proizvajajo. Brez tega pritiska so mitohondrijski ribosomi dejansko izdelani iz večjih proteinov in veliko manj RNA kot celični ribosomi.

"Ko smo začeli ta projekt, nismo imeli dolgega seznama funkcij, ki smo jih poskušali razložiti s teorijo, " je dejal Reuveni. "Začeli smo s teorijo in pojavili so se nekatere značilnosti. Ko smo pogledali podatke, ki bi jih primerjali s tem, kar je naša matematika napovedala, smo v večini primerov ugotovili, da se ujemajo s tem, kar se vidi v naravi."

Zdi se, da so neobičajne značilnosti ribosomov, ki niso le relikvije evolucijske preteklosti, odraz dodatnega sloja funkcionalne optimizacije, ki deluje na kolektivne lastnosti njegovih delov, piše ekipa.

"Medtem ko je ta študija osnovna znanost, se ukvarjamo z nečim, kar je v skupnem življenju, " je dejal Paulsson. "Pomembno je, da razumemo, kje prihajajo omejitve glede strukture in funkcije, saj je kot večina osnovnih znanosti nepredvidljivo, kaj se posledice novega znanja lahko v prihodnosti odklenejo."

menu
menu