Ribosomas: ocurrencia, distribución, estructura, tipos, composición química y funciones

Ribosomas: ocurrencia, distribución, estructura, tipos, composición química y funciones.

Los ribosomas son los gránulos basófilos presentes en el citoplasma de la célula. Dado que este material tenía una afinidad por tinciones básicas similares a la de los gránulos de cromatina del núcleo, así fue durante un tiempo llamado sustancia cromidial o cromófila.

Robinson y Brown observaron los ribosomas por primera vez en las células vegetales en 1953, mientras estudiaban las raíces de frijol con el microscopio electrónico y poco después, Palade (1955) los observó en las células animales. Aisló los ribosomas y detectó el ARN en ellos, por eso también se llama RNP o partículas de ribonucleoproteína o gránulos de Palade. Claude los nombró microsoma, pero el nombre ribosoma fue designado por Robert en 1958.

Ocurrencia:

Están distribuidos universalmente en todo el reino animal y el reino vegetal. Los procariotas también, se encuentran. Los únicos tipos de células desprovistos de ribosomas son los glóbulos rojos de los mamíferos. La densidad de ribosomas por unidad de área es bastante constante para cualquier tipo dado. Es alto en las células que son activas en la síntesis de proteínas y bajas en células donde la síntesis de proteínas es baja.

Distribución:

En las células procariotas, los ribosomas a menudo aparecen libremente en el citoplasma. En las células eucariotas, los ribosomas aparecen libremente en el citoplasma o permanecen unidos a la superficie externa de la membrana del retículo endoplásmico (RE).

Cuando no están adheridos a la sala de emergencias, se llaman ribosomas libres. Los ribosomas libres sirven como sitios para la síntesis de proteínas que se requieren para mantener la constitución de la enzima de la matriz citoplásmica.

Método de aislamiento:

Los ribosomas generalmente se aíslan de la célula por el método de centrifugación diferencial en el que se emplea la centrífuga analítica. El coeficiente de sedimentación de los ribosomas está determinado por las diversas técnicas ópticas y electrónicas. El coeficiente de sedimentación se expresa en la unidad de Svedberg, por ejemplo, la unidad 'S'. La S está relacionada con el tamaño y el peso molecular de las partículas ribosómicas.

Número y concentración de ribosomas:

En todas las células que contienen retículo endoplásmico, se puede observar un buen número de ribosomas. Por ejemplo, en la base de las células glandulares, en las células plasmáticas y hepáticas, en todas las células vegetales y animales en rápido crecimiento y en las bacterias, la cantidad de ácido ribonucleico (ARN) puede relacionarse con la concentración de ribosoma.

En los reticulocitos de conejo, se encuentran cerca de 100 ribosomas por µ ³, lo que corresponde a 1 × 10 ⁵ partículas por reticulocito y aproximadamente. 5% del volumen total de la masa celular, o alrededor de 20, 000 a 30, 000 por célula. Sin embargo, si la velocidad de la síntesis de proteínas se ralentiza por condiciones nutricionales desfavorables, el número de ribosomas puede disminuir considerablemente en las células que sintetizan proteínas y en las bacterias.

Estructura de los ribosomas:

Los ribosomas son notables por su uniformidad en tamaño y composición a través de la amplia gama de células en las que se han estudiado. Los ribosomas de plantas y animales superiores son oblatos, esferoides y su diámetro es de aproximadamente 250 A °.

Sin embargo, los ribosomas de las bacterias son algo más pequeños, ya que contienen menos cantidades de proteínas que los ribosomas animales superiores. Sin embargo, en cantidad de ARN por partícula, los ribosomas bacterianos se parecen a todos los otros ribosomas estudiados actualmente.

En los estudios de microscopía electrónica, la tinción negativa revela una hendidura que divide los ribosomas en una subunidad más grande y una subunidad más pequeña. En E. coli, la partícula más grande tiene forma de "copa" o forma de cúpula (140 a 160 A °) y una más pequeña forma una "tapa" (90 a 110 A °) que se aplica a la superficie plana de la otra (Huxley). y Zubey 1960). En animales y plantas superiores se demostró que los ribosomas están unidos al retículo endoplásmico por las grandes subunidades.

La estructura fina del ribosoma es muy compleja y aún no está completamente aclarada. Dado que los ribosomas son altamente porosos e hidratados, el ARN y la proteína probablemente están entrelazados dentro de las dos subunidades, en secciones, teñidas con iones uranilo (tinción de ARN selectivo), cada ribosoma aparece como un cuerpo en forma de estrella con cuatro a seis brazos implantados en una eje denso. La subunidad aislada 50S de los subtítulos de Bacillus aparece como una partícula compacta de 160 a 180A ° que tiene una cara pentagonal, en el centro de la cual hay un área redonda de 40 a 60 A ° (Nanninga, 1967).

Un núcleo transparente de electrones, que se tiñó de forma negativa en ribosomas corresponde a una región opaca a los electrones, se ha descrito en las presentaciones grandes. La subunidad 40S no es regular y tiende a subdividirse en dos partes que están interconectadas por un cordón de 30 a 60 A de espesor.

Subunidad Ribosomal:

Otra propiedad que es común a todos los ribosomas en su estructura de subunidad y su constante de sedimentación por ultracentrifugación. Sobre la base de la constante de sedimentación hay dos tipos principales de ribosomas.

Los de las bacterias suelen tener un coeficiente de 70S (unidad de Svedberg) correspondiente a un peso molecular de 2, 7 × 10 ⁶ . Los otros son los ribosomas de eucariotas (células nucleadas, ya sean plantas o animales), tales ribosomas poseen una constante de sedimentación de 80S con un peso molecular de aproximadamente 4 × 10 ⁶ daltons.

Las dos subunidades estructurales de los ribosomas (copa y tapa) mencionadas anteriormente requieren baja concentración de iones Mg ⁺⁺ (0, 001 M) para la cohesión estructural. Los ribosomas pueden limpiarse mediante la eliminación de iones Mg ⁺⁺ para producir dos partículas más pequeñas, una 2/3 y otra 1/3 de la masa del ribosoma intacto original. En realidad, no son más que las mismas subunidades que se observan con la ayuda de un microscopio electrónico.

Estas subunidades son referidas por sus constantes de sedimentación. La unidad del ribosoma posee una constante de sedimentación de 80S o 70S como se mencionó anteriormente, mientras que la subunidad 2/3 tiene una constante de sedimentación de 60S o 50S y la subunidad de 1/3 40S o 30S, respectivamente. Ambas subunidades están unidas entre sí mediante iones de magnesio que interactúan con los grupos fosfodiéster del ARN.

La partícula totalmente saturada de magnesio contiene iones Mg ⁺⁺ por tres grupos fosfodiéster. La eliminación del 1/3 calculado de estos iones de magnesio da como resultado la escisión del 80S para formar 60S y 40S (subunidades).

La eliminación de otros resultados de Mg ⁺⁺ en el caso de los ribosomas de guisantes y de levadura, al menos en escisión adicional, libera lo que aparentemente es una subunidad de 1/6. Sin embargo, esta división adicional, en contraste con la de las subunidades 2/3 y 1/3, es irreversible en el sentido de que la restauración de iones de magnesio no produce la restauración de partículas 80S.

Si la concentración de Mg ⁺⁺ aumenta diez veces, dos ribosomas se combinan para formar un "dímero" con el doble del peso molecular de los ribosomas individuales. El dímero se puede convertir de nuevo en dos ribosomas al disminuir la concentración de Mg ⁺⁺ .

Las primeras observaciones al microscopio electrónico de las secciones celulares revelaron que los ribosomas se asociaban frecuentemente en grupos que ocasionalmente formaban un patrón recurrente. No fue hasta 1962 cuando se descubrió la función de estos polirribosomas, o polisomas, en la síntesis de proteínas (Warner y Rich, 1962).

Después de tratar los reticulocitos con aminoácidos marcados con C14 y usar métodos suaves para la interrupción, se encontró que además de la constante de sedimentación típica del ribosoma único (80S), estaban presentes algunas unidades más grandes.

La constante de sedimentación de estas partículas varía de 108S a 170S o incluso más; esto correspondió a un polirribosoma de cinco unidades (un pentámero). Se confirmó mediante microscopía electrónica que aproximadamente el 75% de los ribosomas que muestran un pico de 170S se presentaron como pentámeros.

Un filamento delgado, interpretado como en mRNA, alrededor de 150 A °. El número de ribosomas en los polirribosomas puede variar considerablemente y parece estar relacionado con la longitud del ARNm que debe "leerse" en el proceso de traducción.

En E. coli y en células de embrión de pollo, se han observado polirribosomas compuestos de aproximadamente 50 unidades (Rich 1967). Los polibibiosomas pueden estar libres en el citoplasma o unirse a las membranas del retículo endoplásmico.

Para los polirribosomas libres, se ha postulado una configuración helicoidal con las subunidades pequeñas dispuestas alrededor del eje central y las subunidades grandes dispuestas en la periferia. En secciones de varias células se han observado polirribosomas en una matriz helicoidal (Weiss y Grover, 1968). Se supone que en el polisoma, el ARNm está situado entre las dos subunidades del ribosoma.

Tipos de ribosomas :

Los ribosomas son de dos tipos básicos, los ribosomas 70S y 80S. Así, S se refiere a unidades de Svedberg. En realidad, es el coeficiente de sedimentación que muestra la velocidad de los sedimentos de los orgánulos celulares en una ultracentrífuga. Los coeficientes de sedimentación no son aditivos.

Los ribosomas 80S se encuentran en eucariotas (organismos cuyas células tienen núcleos verdaderos delimitados por envolturas nucleares), por ejemplo, algas, hongos, plantas superiores y animales. El ribosoma 80S de los animales consiste en una subunidad 60S grande y una subunidad 40S pequeña.

Los ribosomas 70S son relativamente más pequeños y se encuentran en procariotas (organismos cuyo ADN no está delimitado por una envoltura nuclear), por ejemplo, bacterias. El ribosoma 70S consiste en una subunidad 50S grande y una subunidad 30S pequeña.

Los ribosomas que se encuentran en las mitocondrias y los cloroplastos de los eucariotas están más cerca de los ribosomas procariotas que de los ribosomas eucariotas 80S. Las mitocondrias de vertebrados, por ejemplo, contienen ribosomas 55S, cada uno con una subunidad 40S grande y una subunidad 30S pequeña. Los coeficientes de sedimentación 80S, 70S y 55S son valores redondeados. Los valores reales de S en diferentes organismos pueden ser ligeramente más altos o más bajos.

Composición química :

Los principales constituyentes de los ribosomas son el ARN y las proteínas. Los lípidos están totalmente ausentes o presentes en trazas. Los ribosomas de E. coli poseen casi 60-65% de ARN y 35-40% de proteínas de su peso. La tabla 6.3 muestra la cantidad aproximada de ARN y proteínas en diferentes tipos de ribosomas.

El ARN ribosomal difiere en tamaño y contenido de base del ARNt y de otras clases de ARN de la mayoría de las células. Dos tipos de ARN se encuentran en todos los ribosomas. Son un componente integral y no se pueden quitar fácilmente. El ARN de las partículas de hígado de rata contiene principalmente las bases comunes adenina, guanina, citosina y uracilo con una pequeña cantidad de pseudouridina, las bases habituales que aparecen en el ARN soluble se encuentran en las partículas de ARN solo en cantidades muy pequeñas.

Tabla 6.2 Diferencias entre los 70 y los ribosomas:

Aninoácidos:

La composición de aminoácidos de la proteína insoluble en ácido tricloracético del RNP de hígado de rata se ha determinado por Crompton y Petermann (1959). Los aminoácidos aromáticos y que contienen azufre estaban presentes en cantidades muy pequeñas, mientras que la leusina y la arginina eran altas en más del 10%. La composición tanto de los reticulocitos de conejo como de las RNP de plántulas de arveja son notablemente similares.

Un extracto clorhídrico de RNP vivo de rata parcialmente purificado ha producido arginina (Butter, 1960), pero aún no se ha determinado si estos aminoácidos se derivaron de las proteínas en sí.

Proteína:

La proteína contiene una cadena lineal de aminoácidos. La composición similar en los ribosomas de los aminoácidos de la proteína ribosomal es notablemente de diferente origen y puede ser bastante diferente de la de la proteína formada por el ribosoma.

Por lo tanto, es común distinguir entre la proteína estructural ribosomal, la cadena peptídica en crecimiento de la enzima en proceso de fabricación por el ribosoma de que la proteína está asociada con el ARN ribosomal por enlace de hidrógeno se desprende del hecho de que la disociación de los dos se realiza rápida y fácilmente mediante reactivos que Atacar los enlaces de hidrógeno como por ejemplo el bromuro de guanidio.

Los experimentos han sido realizados por Yin y Bock (1960), quienes obtuvieron una proteína ribosomal de levadura estable. Watson (1960) obtuvo la proteína de E. coli y, mediante el análisis de dicho grupo, el peso molecular de cada una de las subunidades es de aproximadamente 30, 000.

Proteínas enzimáticas ribosómicas:

La mayoría de las proteínas ribosómicas actúan como enzimas, catalizando así la síntesis de proteínas. Las proteínas de iniciación IF 1, IF2 y 1F3 inician el proceso de síntesis de proteínas, mientras que las proteínas de transferencia (factor G, factor Ts) ayudan en la translocación de los ribosomas sobre el ARNm y la transferencia del residuo de ARNt de un sitio del ribosoma al otro sitio .

Otra enzima peptídica 1 transferida ayuda en la transformación de las cadenas peptídicas en aminoacy1-ARNt y la terminación de otras enzimas de la cadena polipeptídica completa.

Como resultado del lavado de los ribosomas con NH4CI y someterlos a cromatografía en columna, Ochoa y colaboradores (1960) aislaron factores anteriores en la síntesis de proteínas. Entre ellos, tres factores de iniciación, IF1, IF2 e IF3, se asocian de manera flexible con la subunidad 30S. El factor IF1 es una proteína básica que tiene un peso molecular de 9200 daltons.

Está involucrado en la unión de F-met-tRNA. El factor IF2 es también una proteína del mol. wt 8000 daltons y contiene grupos de SH que ayudan en la unión con GTP. El tercer factor de proteína IF3 no requiere GTP y está involucrado en la unión del ARNm a las subunidades 30S.

Es una proteína básica que tiene un peso molecular de 30, 000 daltons. IF3 también puede actuar como factor de disociación para los ribosomas 70S. Ochoa et al. (1972) han reportado además el factor de interferencia (i) en las bacterias E.coli. Estos factores se unen al factor IF3, cambian su especificidad y, por lo tanto, regulan la traducción del mensaje genético al principio.

Los factores de elongación son esenciales para la elongación de la cadena polipeptídica. Estos son EFG (también llamado factor G o translocase) y factor EFT. Como se describió anteriormente, el factor EFG o G está involucrado en la translocación del ARNm. En E. coli, consiste en una sola cadena polipeptídica que tiene mol. wt de 72, 00 daltons. EFG + GTP promueve la translocación de peptidil-tRNA recientemente alargado.

Otro factor de EFT tiene dos tipos de proteínas: Tu (temperatura inestable) y Ts (temperatura estable). El factor EFTu + GTP forma aminoacil-ARNt complejo antes de su unión al sitio aceptor del ribosoma siendo catalizado por el factor Ts. Además, la subunidad ribosomal 50S tiene una enzima péptido sintetasa o peptidil transferasa asociada en la formación de un enlace peptídico. Los factores de terminación R1 y R2 están liberando proteínas que ayudan a liberar la cadena polipeptídica.

Biogénesis de los ribosomas:

La biogénesis de los ribosomas en células procariotas bacterianas tiene lugar dentro del citoplasma debido a la ausencia de nucleolo. Los ARNr se originan a partir de los codones específicos del genoma o del ADN ribosómico (ADNr).

En las células eucariotas, el proceso de biogénesis de los ribosomas es complicado y ocurre dentro del nucleolo. Uno de los cromosomas de un conjunto tiene una región organizadora nucleolar específica, que contiene una molécula de ARN nucleolar que es un precursor de los ARNr 28S y 18S. El proceso de conversión de 45S-RNA en 28S y 18S rRNA se ilustra a continuación:

Las moléculas de ARN nucleolar 45S están metiladas (se agrega el grupo -CH). Estas moléculas metiladas del ARN nucleolar 45S se asocian con las proteínas necesarias presentes en el núcleo que forma las partículas de la molécula de ribonuceoporteina 80S (RNP). Estos RNP 80S con ARN molecular 45S se dividieron en ARNr 32S y 18S a través de varios pasos intermedios, por lo que se pierde la porción no metilada de las moléculas. Molécula 18S junto con sus moléculas de proteínas transportadas inmediatamente al citoplasma. El ARNr 32S permanece dentro del nucleolo durante algún tiempo y se divide en ARNS 28S.

El ARNr 5S se sintetiza fuera del nucleolo y los genes se encuentran adyacentes a la región organizadora del núcleo del cromosoma.

El ARNr 18S, junto con sus proteínas, sale del núcleo a través del nucleoporo y sale al citoplasma, donde en asociación con proteínas se ensambla en una subunidad pequeña (40S) del ribosoma. El ARNr 28S también abandona el núcleo y se incorpora con el ARNr 5S y las proteínas que forman la subunidad 60S.

La síntesis de la proteína ribosomal se produce en parte dentro del nucleolo y en parte en el interior del citoplasma. Las proteínas sintetizadas en el citoplasma se ensamblan en el núcleo para ser utilizadas en partículas de moléculas de ribonucleoproteína (RNP).

ARN ribosomal :

Los ribosomas 70S contienen tres tipos de ARNr, a saber, ARNr 23S, ARNr 16S y ARNr 5S. El rRNA 23S y 5S se produce en la subunidad ribosomal 50S más grande, mientras que el rRNA 16S se produce en la subunidad ribosomal 30S más pequeña. El rRNA 23S consta de 3200 nucleótidos, el rRNA 16S contiene 1600 nucleótidos y el rRNA 5S incluye 120 nucleótidos (Brownlee, 1968, Fellner, 1972).

Los ribosomas 80S también contienen tres tipos de rRNA, a saber, 28S rRNA, 18S rRNA y 5S rRNA. El rRNA 28S y 5S se produce en la subunidad ribosomal 60S más grande, mientras que el rRNA 18S se produce en la subunidad ribosomal 40S más grande.

El ARNr 28S tiene el peso molecular 1.6 x 10 ⁶ daltons y su molécula es de doble cadena y tiene bases de nitrógeno en pares. El 18S rRNA tiene un peso molecular de 0, 6 * 10 ⁶ daltons. La molécula del ARNr 5S tiene una forma de hoja de trébol y una longitud igual a 120 nucleótidos (Forget y Weissmann, 1968).

Otros constituyentes :

Los contenidos metálicos de los ribosomas también son una pregunta difícil. Hay pocas dudas de que el magnesio es el principal ion fisiológicamente, ya que está presente en altas concentraciones en los ribosomas de hígado de rata. Es el más activo para mantener la estructura 80S (Hamilton y Petermann, 1959), ya que es esencial para la incorporación de aminoácidos in vitro (Rendi y Hultin, 1960). Los otros metales que están presentes en los ribosomas son cromo, manganeso, níquel, hierro y calcio (Walker y Valle, 1958; Tso 1958).

Función de los ribosomas :

Es un hecho bien conocido que los ribosomas son fábricas de fabricación de proteínas en una célula, pero en realidad un ribosoma no puede participar en la síntesis de proteínas. Se supo desde 1962, cuando se publicó un informe que mostraba que las unidades activas no son un ribosoma individual, sino un grupo de estas unidades, que se denomina polirribosoma. Gric y Hall publicaron un papel detallado del polirribosoma en Scientific American, diciembre de 1963. Hay mucha evidencia de que los ribosomas son iguales y, al menos, intercambiables.

En el caso de la hemoglobina con una cadena de 150 aminoácidos, se ha descrito el número más habitual de ribosomas y hasta 40 ribosomas. Por lo tanto, el nombre polisoma también se puede aplicar en el lugar del polirribosoma. La proteína consiste en una cadena lineal de aminoácidos. La cadena puede ser corta o larga en ambos casos, se llama cadena polipeptídica. El polipéptido se puede plegar de una manera específica que a menudo se combina para formar una proteína compleja.

Los ribosomas en una polisoma están separados por un espacio de 50-150 A ⁰ . La observación positiva del acetato de uracil revela que, los ribosomas están conectados por un hilo delgado de 10-15 A ⁰ de diámetro, que tiene aproximadamente el grosor de una sola hebra de ARN. Desde el tamaño de la brecha entre los ribosomas, la medición total de la brecha que contiene cinco ribosomas es aproximadamente 1500 A ⁰, los cinco ribosomas tienen una brecha inter-ribosomal de 50-150 A ° cada uno.