Informations

Les ribosomes sont-ils spécifiques à chaque organisme

Les ribosomes sont-ils spécifiques à chaque organisme


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Si nous retirions un ribosome d'un humain et que nous le mettions à l'intérieur d'un cheval, le ribosome fonctionnerait-il comme il le ferait chez l'homme ou il ne fonctionnera pas ou quelque part entre les deux ?


On peut préparer des ribosomes de lapin à partir de réticulocytes (globules rouges immatures), et en fournissant quelques cofacteurs nécessaires à un extrait actif, créer un in vitro système qui traduira pratiquement n'importe quel ARNm eucaryote qui contient les déterminants de séquence corrects. Vous pouvez purifier l'ARNm de vos cellules ou tissus de votre choix, ou vous pouvez synthétiser un ARNm in vitro en utilisant une matrice d'ADN et une ARN polymérase. L'un ou l'autre de ceux-ci sera traduit dans un lysat de réticulocytes de lapin traité à la nucléase.

IVT (in vitro traduction) les extraits peuvent être préparés à partir de pratiquement n'importe quelle source (par exemple, C. elegans montré par Bob Edgar dans Cellule ~ 1984). Je prédis donc que les ribosomes de chevaux seraient heureux de traduire les ARNm humains, et que les ribosomes humains seraient heureux de traduire les ARNm de chevaux. L'expérience que vous avez décrite, placer un ribosome humain dans une cellule de cheval serait difficile à interpréter car les ribosomes endogènes de cheval traduiraient déjà les ARNm endogènes de cheval, et donc détecter l'activité d'un ribosome supplémentaire pourrait être difficile (même si vous pouviez trouver avec une approche expérimentale qui fait entrer ce ribosome étranger dans la cellule).

Le message à retenir est que les ribosomes, en général, ne se soucient pas d'où vient l'ARNm - parce que les ribosomes, pour autant que nous le sachions, n'ont pas de moyen de distinguer "soi" de "autre".


  1. quelle est la chose qui donne au ribosome sa fonctionnalité (pour synthétiser la protéine).

Les brins d'ARN peuvent se replier d'une manière spécifique à la séquence. En fait, les ribosomes sont hautement structuraux et peuvent contenir des ARNt ayant un trou par lequel passe un polypeptide lors de la synthèse des protéines.

  1. Je ne sais pas, mais ça pourrait marcher. Je ne sais pas non plus si cela fonctionne exactement comme le ribosome de cheval fonctionne.

Les machines de synthèse de protéines

En plus de la matrice d'ARNm, de nombreuses molécules et macromolécules contribuent au processus de traduction. La composition de chaque composant peut varier d'une espèce à l'autre, par exemple, les ribosomes peuvent être constitués de différents nombres d'ARNr et de polypeptides en fonction de l'organisme. Cependant, les structures générales et les fonctions de la machinerie de synthèse des protéines sont comparables des bactéries aux cellules humaines. La traduction nécessite l'entrée d'une matrice d'ARNm, de ribosomes, d'ARNt et de divers facteurs enzymatiques.


Les cellules sont les usines de la nature

Qu'il s'agisse d'un ordinateur, d'une tablette ou d'un téléphone, l'appareil sur lequel vous lisez cet article a été construit en usine. L'usine fonctionne sans arrêt, vrombissant avec des machines qui fabriquent et traitent des articles selon des instructions très précises (Figure 1, à gauche). Les cellules – les plus petites unités fonctionnelles de tout organisme vivant – sont de minuscules usines qui fabriquent des produits biologiques, ou molécules (Figure 1, à droite).

Figure 1. Une usine électronique (à gauche) et une cellule eucaryote (à droite). Parce qu'elles travaillent sans relâche pour fabriquer des produits biologiques, les cellules sont considérées comme l'usine de la nature.

Les cellules ont également besoin d'instructions explicites pour construire des choses : on les appelle les génomes, l'ensemble complet du matériel génétique – l'ADN – stocké dans une cellule. Le génome humain, par exemple, contient des dizaines de milliers de gènes, dont chacun fournit des spécifications exactes pour un produit biologique. Alors que l'ADN est analogue aux lettres de l'alphabet, un gène est le mot qui se forme en enchaînant ces lettres d'une manière spécifique. Ensemble, les gènes composent les phrases qui composent le manuel d'instructions du génome.


15.5 Ribosomes et synthèse des protéines

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

  • Quelles sont les différentes étapes séquentielles de la synthèse des protéines ?
  • Quel est le rôle des ribosomes dans la synthèse des protéines ?

Connexion pour les cours AP ®

Une fois que les informations contenues dans le gène ont été transcrites en ARNm, elles sont prêtes à être traduites en polypeptide. Les acteurs de la traduction comprennent la matrice d'ARNm, les ribosomes, les molécules d'ARNt, les acides aminés et diverses enzymes. Les ribosomes sont constitués de petites et grandes sous-unités de protéines et d'ARNr qui se lient à l'ARNm de nombreux ribosomes peuvent se déplacer le long du même ARNm à la fois. La traduction commence à l'AUG d'initiation sur l'ARNm, spécifiant la méthionine, le premier acide aminé de tout polypeptide. Chaque acide aminé est transporté vers le ribosome en se fixant à une molécule spécifique d'ARNt. Une molécule d'ARNt est souvent représentée sous la forme d'une feuille de trèfle, avec un anticodon à une extrémité et le site de fixation des acides aminés à l'autre. Les enzymes de charge d'acides aminés garantissent que le bon acide aminé est attaché au bon ARNt. Les anticodons sur l'ARNt sont complémentaires des codons sur l'ARNm par exemple, l'anticodon AAA sur l'ARNt correspond au TTT sur l'ARNm. Les acides aminés séquentiels sont liés par des liaisons peptidiques. L'ARNm est traduit, allongeant le polypeptide, jusqu'à ce qu'un codon STOP ou non-sens soit atteint. Lorsque cela se produit, un facteur de libération dissocie les composants et libère le nouveau polypeptide. Le repliement de la protéine se produit pendant et après la traduction. Une fois qu'un polypeptide est synthétisé, son rôle en tant que protéine est établi, tel que la détermination d'un phénotype physique d'un organisme.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts décrits dans la grande idée 3 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 3 Les systèmes vivants stockent, récupèrent, transmettent et répondent aux informations essentielles aux processus de la vie.
Compréhension durable 3.A Les informations héréditaires assurent la continuité de la vie.
Connaissances essentielles 3.A.1 L'ADN, et dans certains cas l'ARN, est la principale source d'informations héréditaires.
Pratique scientifique 1.2 L'étudiant peut décrire des représentations et des modèles de phénomènes et de systèmes naturels ou artificiels dans le domaine.
Objectif d'apprentissage 3.4 L'étudiant est capable de décrire des représentations et des modèles illustrant comment l'information génétique est traduite en polypeptides.
Connaissances essentielles 3.A.1 L'ADN, et dans certains cas l'ARN, est la principale source d'informations héréditaires.
Pratique scientifique 6.4 L'étudiant peut faire des déclarations et des prédictions sur des phénomènes naturels sur la base de théories et de modèles scientifiques.
Objectif d'apprentissage 3.6 L'étudiant peut prédire comment un changement dans une séquence d'ADN ou d'ARN spécifique peut entraîner des changements dans l'expression des gènes.

Soutien aux enseignants

Créez des modèles de synthèse de protéines avec les éléments suivants :

  • Des cure-pipes pour l'ARN reliant plusieurs unités pour représenter l'ARNm et en tordant certaines pour représenter les ARNt
  • Boules de coton ou autres fournitures pour représenter les ribosomes
  • Billes colorées pour représenter les acides aminés et les nucléotides

Demandez aux élèves quels défis spécifiques doivent relever les amino-acyl ARNt synthétases. Les enzymes doivent reconnaître l'anticodon, l'acide aminé qui correspond à cet anticodon et le site accepteur d'ARNt.

Demandez aux élèves de comparer et de contraster les boîtes TATA et les séquences de Kozak. Les deux sont basés sur des séquences consensus. Les boîtes TATA sont associées aux promoteurs et aux séquences de Kozak avec la liaison des ribosomes.

L'ARN dans les ribosomes catalyse la formation de la liaison peptidique. C'est un bon exemple de ribozyme, une molécule d'ARN qui agit comme une enzyme. Les élèves ont peut-être entendu dire que toutes les enzymes sont des protéines. C'est l'occasion de clarifier le point. L'enzyme impliquée dans l'épissage des introns est un autre exemple d'ARN aux propriétés catalytiques.

Les questions du défi de la pratique scientifique contiennent des questions de test supplémentaires pour cette section qui vous aideront à vous préparer à l'examen AP. Ces questions portent sur les normes suivantes :
[APLO 1.16][APLO 4.22][APLO 3.6]

La synthèse des protéines consomme plus d'énergie d'une cellule que tout autre processus métabolique. À leur tour, les protéines représentent plus de masse que tout autre composant des organismes vivants (à l'exception de l'eau), et les protéines remplissent pratiquement toutes les fonctions d'une cellule. Le processus de traduction, ou synthèse protéique, implique le décodage d'un message d'ARNm en un produit polypeptidique. Les acides aminés sont liés de manière covalente par des liaisons peptidiques interconnectées sur des longueurs allant d'environ 50 résidus d'acides aminés à plus de 1 000. Chaque acide aminé individuel a un groupe aminé (NH2) et un groupe carboxyle (COOH). Les polypeptides se forment lorsque le groupe amino d'un acide aminé forme une liaison amide (c'est-à-dire un peptide) avec le groupe carboxyle d'un autre acide aminé (figure 15.16). Cette réaction est catalysée par les ribosomes et génère une molécule d'eau.

Les machines de synthèse de protéines

En plus de la matrice d'ARNm, de nombreuses molécules et macromolécules contribuent au processus de traduction. La composition de chaque composant peut varier d'une espèce à l'autre, par exemple, les ribosomes peuvent être constitués de différents nombres d'ARNr et de polypeptides en fonction de l'organisme. Cependant, les structures générales et les fonctions de la machinerie de synthèse des protéines sont comparables des bactéries aux cellules humaines. La traduction nécessite l'entrée d'une matrice d'ARNm, de ribosomes, d'ARNt et de divers facteurs enzymatiques.

Lien vers l'apprentissage

Cliquez sur les étapes de cette PBS interactive pour voir la synthèse des protéines en action.

  1. En raison du manque de protéines dans l'alimentation, notre corps ne sera pas en mesure de former d'autres protéines, il conservera donc les protéines dont il dispose pour un usage critique, entraînant la perte de cheveux.
  2. Le manque de protéines dans l'alimentation peut affaiblir le système immunitaire, entraînant ainsi la chute des cheveux.
  3. En raison du manque de protéines dans l'alimentation, l'énergie sera perdue, entraînant ainsi la chute des cheveux.
  4. Le manque de protéines dans l'alimentation entraînera la rupture des liaisons disulfure entre les protéines, entraînant ainsi la chute des cheveux.

Ribosomes

Avant même qu'un ARNm ne soit traduit, une cellule doit investir de l'énergie pour construire chacun de ses ribosomes. Dans E. coli, il y a entre 10 000 et 70 000 ribosomes présents dans chaque cellule à un moment donné. Un ribosome est une macromolécule complexe composée d'ARNr structurels et catalytiques et de nombreux polypeptides distincts. Chez les eucaryotes, le nucléole est complètement spécialisé pour la synthèse et l'assemblage d'ARNr.

Les ribosomes existent dans le cytoplasme des procaryotes et dans le cytoplasme et le réticulum endoplasmique rugueux des eucaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leurs propres ribosomes dans la matrice et le stroma, qui ressemblent davantage aux ribosomes procaryotes (et ont des sensibilités médicamenteuses similaires) que les ribosomes juste à l'extérieur de leurs membranes externes dans le cytoplasme. Les ribosomes se dissocient en grandes et petites sous-unités lorsqu'ils ne synthétisent pas de protéines et se réassocient lors de l'initiation de la traduction. Dans E. coli, la petite sous-unité est décrite comme 30S et la grande sous-unité est 50S, pour un total de 70S (rappelons que les unités Svedberg ne sont pas additives). Les ribosomes de mammifères ont une petite sous-unité 40S et une grande sous-unité 60S, pour un total de 80S. La petite sous-unité est responsable de la liaison de la matrice d'ARNm, tandis que la grande sous-unité se lie séquentiellement aux ARNt. Chaque molécule d'ARNm est traduite simultanément par de nombreux ribosomes, tous synthétisant la protéine dans le même sens : lecture de l'ARNm de 5' à 3' et synthèse du polypeptide de l'extrémité N à l'extrémité C. La structure complète ARNm/polyribosome est appelée polysome.

ARNt

Les ARNt sont des molécules d'ARN structurelles qui ont été transcrites à partir de gènes par l'ARN polymérase III. Selon les espèces, 40 à 60 types d'ARNt existent dans le cytoplasme. Servant d'adaptateurs, des ARNt spécifiques se lient aux séquences de la matrice d'ARNm et ajoutent l'acide aminé correspondant à la chaîne polypeptidique. Par conséquent, les ARNt sont les molécules qui « traduisent » réellement le langage de l'ARN dans le langage des protéines.

Sur les 64 codons d'ARNm possibles - ou combinaisons de triplets de A, U, G et C - trois spécifient la fin de la synthèse des protéines et 61 spécifient l'ajout d'acides aminés à la chaîne polypeptidique. Parmi ces 61, un codon (AUG) code également l'initiation de la traduction. Chaque anticodon d'ARNt peut s'apparier avec l'un des codons d'ARNm et ajouter un acide aminé ou terminer la traduction, selon le code génétique. Par exemple, si la séquence CUA apparaissait sur une matrice d'ARNm dans le cadre de lecture approprié, elle se lierait à un ARNt exprimant la séquence complémentaire, GAU, qui serait liée à l'acide aminé leucine.

En tant que molécules adaptatrices de la traduction, il est surprenant que les ARNt puissent tenir autant de spécificité dans un si petit paquet. Considérez que les ARNt doivent interagir avec trois facteurs : 1) ils doivent être reconnus par la bonne aminoacyl synthétase (voir ci-dessous) 2) ils doivent être reconnus par les ribosomes et 3) ils doivent se lier à la séquence correcte dans l'ARNm.

Synthétases d'ARNt aminoacyl

Le processus de synthèse du pré-ARNt par l'ARN polymérase III ne crée que la partie ARN de la molécule adaptatrice. L'acide aminé correspondant doit être ajouté plus tard, une fois que l'ARNt est traité et exporté vers le cytoplasme. Grâce au processus de « chargement » de l'ARNt, chaque molécule d'ARNt est liée à son acide aminé correct par un groupe d'enzymes appelées aminoacyl ARNt synthétases. Au moins un type d'aminoacyl ARNt synthétase existe pour chacun des 20 acides aminés, le nombre exact d'aminoacyl ARNt synthétases varie selon les espèces. Ces enzymes se lient et hydrolysent d'abord l'ATP pour catalyser une liaison à haute énergie entre un acide aminé et l'adénosine monophosphate (AMP), une molécule de pyrophosphate est expulsée dans cette réaction. L'acide aminé activé est ensuite transféré à l'ARNt et l'AMP est libéré.

Le mécanisme de la synthèse des protéines

Comme pour la synthèse de l'ARNm, la synthèse des protéines peut être divisée en trois phases : initiation, élongation et terminaison. Le processus de traduction est similaire chez les procaryotes et les eucaryotes. Ici, nous allons explorer comment la traduction se produit dans E. coli, un procaryote représentatif, et précisez toute différence entre la traduction procaryote et eucaryote.

Initiation à la traduction

Dans E. coli L'ARNm, une séquence en amont du premier codon AUG, appelée séquence Shine-Dalgarno (AGGAGG), interagit avec les molécules d'ARNr qui composent le ribosome. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S à l'emplacement correct sur la matrice d'ARNm. Le guanosine triphosphate (GTP), qui est un nucléotide triphosphate purique, agit comme une source d'énergie lors de la traduction, à la fois au début de l'élongation et lors de la translocation du ribosome.

Chez les eucaryotes, un complexe d'initiation similaire se forme, comprenant l'ARNm, la petite sous-unité ribosomique 40S, les FI et les nucléosides triphosphates (GTP et ATP). L'ARNt initiateur chargé, appelé Met-ARNtje, ne se lie pas à fMet chez les eucaryotes, mais se distingue des autres ARNt Met en ce qu'il peut se lier aux FI.

Au lieu de se déposer à la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe 7-méthylguanosine à l'extrémité 5' de l'ARNm. Une protéine de liaison à la coiffe (CBP) et plusieurs autres FI aident le mouvement du ribosome vers la coiffe 5'. Une fois au cap, le complexe d'initiation suit l'ARNm dans la direction 5' à 3', à la recherche du codon de départ AUG. De nombreux ARNm eucaryotes sont traduits à partir du premier AUG, mais ce n'est pas toujours le cas. Selon les règles de Kozak, les nucléotides autour de l'AUG indiquent s'il s'agit du bon codon de départ. Les règles de Kozak stipulent que la séquence consensus suivante doit apparaître autour de l'AUG des gènes des vertébrés : 5'-gccRccAUGG-3'. Le R (pour purine) indique un site qui peut être A ou G, mais ne peut pas être C ou U. Essentiellement, plus la séquence est proche de ce consensus, plus l'efficacité de la traduction est élevée.

Une fois l'AUG approprié identifié, les autres protéines et la CBP se dissocient et la sous-unité 60S se lie au complexe Met-ARNtje, l'ARNm et la sous-unité 40S. Cette étape complète l'initiation de la traduction chez les eucaryotes.

Traduction, allongement et terminaison

Chez les procaryotes et les eucaryotes, les bases de l'allongement sont les mêmes, nous passerons donc en revue l'allongement du point de vue de E. coli. La sous-unité ribosomique 50S de E. coli se compose de trois compartiments : le site A (aminoacyle) lie les ARNt aminoacyles chargés entrants. Le site P (peptidyle) se lie aux ARNt chargés portant des acides aminés qui ont formé des liaisons peptidiques avec la chaîne polypeptidique en croissance mais ne se sont pas encore dissociés de leur ARNt correspondant. Le site E (sortie) libère des ARNt dissociés afin qu'ils puissent être rechargés en acides aminés libres. Il y a une exception à cette chaîne d'assemblage d'ARNt : dans E. coli, f M e t − t R N A f M e t f M e t − t R N A f M e t est capable d'entrer directement sur le site P sans entrer au préalable sur le site A. De même, l'ARNt-met eucaryoteje, avec l'aide d'autres protéines du complexe d'initiation, se lie directement au site P. Dans les deux cas, cela crée un complexe d'initiation avec un site A libre prêt à accepter l'ARNt correspondant au premier codon après l'AUG.

Au cours de l'allongement de la traduction, la matrice d'ARNm fournit une spécificité. Au fur et à mesure que le ribosome se déplace le long de l'ARNm, chaque codon d'ARNm entre dans le registre et une liaison spécifique avec l'anticodon d'ARNt chargé correspondant est assurée. Si l'ARNm n'était pas présent dans le complexe d'élongation, le ribosome se lierait aux ARNt de manière non spécifique.

L'élongation se poursuit avec des ARNt chargés entrant dans le site A, puis se déplaçant vers le site P suivi du site E avec chaque «étape» à codon unique du ribosome. Les étapes ribosomiques sont induites par des changements de conformation qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3'. L'énergie pour chaque étape du ribosome est donnée par un facteur d'élongation qui hydrolyse le GTP. Des liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site A et le groupe carboxyle de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site P. La formation de chaque liaison peptidique est catalysée par la peptidyl transférase, une enzyme à base d'ARN intégrée dans la sous-unité ribosomique 50S. L'énergie pour chaque formation de liaison peptidique est dérivée de l'hydrolyse du GTP, qui est catalysée par un facteur d'allongement distinct. L'acide aminé lié à l'ARNt du site P est également lié à la chaîne polypeptidique en croissance. Au fur et à mesure que le ribosome traverse l'ARNm, l'ancien ARNt du site P pénètre dans le site E, se détache de l'acide aminé et est expulsé (Figure 15.17). Étonnamment, le E. coli l'appareil de traduction ne prend que 0,05 seconde pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu'une protéine de 200 acides aminés peut être traduite en seulement 10 secondes.


Contenu

La séquence d'ADN qui code la séquence des acides aminés dans une protéine est transcrite en une chaîne d'ARN messager. Les ribosomes se lient aux ARN messagers et utilisent leurs séquences pour déterminer la séquence correcte d'acides aminés pour générer une protéine donnée. Les acides aminés sont sélectionnés et transportés vers le ribosome par des molécules d'ARN de transfert (ARNt), qui pénètrent dans le ribosome et se lient à la chaîne d'ARN messager via une boucle de tige anti-codon. Pour chaque triplet codant (codon) dans l'ARN messager, il existe un ARN de transfert qui correspond et porte le bon acide aminé pour l'incorporation dans une chaîne polypeptidique en croissance. Une fois la protéine produite, elle peut alors se replier pour produire une structure tridimensionnelle fonctionnelle.

Un ribosome est fabriqué à partir de complexes d'ARN et de protéines et est donc un complexe ribonucléoprotéique. Chaque ribosome est composé de petits (30S) et de grands (50S) composants appelés sous-unités qui sont liés les uns aux autres :

  1. (30S) a principalement une fonction de décodage et est également lié à l'ARNm
  2. (50S) a principalement une fonction catalytique et est également lié aux ARNt aminoacylés.

La synthèse des protéines à partir de leurs éléments constitutifs se déroule en quatre phases : initiation, élongation, terminaison et recyclage. Le codon de départ dans toutes les molécules d'ARNm a la séquence AUG. Le codon stop est l'un des UAA, UAG ou UGA puisqu'il n'y a pas de molécules d'ARNt qui reconnaissent ces codons, le ribosome reconnaît que la traduction est complète. [5] Lorsqu'un ribosome finit de lire une molécule d'ARNm, les deux sous-unités se séparent et sont généralement brisées mais peuvent être réutilisées. Les ribosomes sont des ribozymes, car l'activité catalytique de la peptidyl transférase qui lie les acides aminés entre eux est réalisée par l'ARN ribosomique. Les ribosomes sont souvent associés aux membranes intracellulaires qui constituent le réticulum endoplasmique rugueux.

Les ribosomes de bactéries, d'archées et d'eucaryotes du système à trois domaines se ressemblent à un degré remarquable, preuve d'une origine commune. Ils diffèrent par leur taille, leur séquence, leur structure et le rapport protéine/ARN. Les différences de structure permettent à certains antibiotiques de tuer les bactéries en inhibant leurs ribosomes, sans affecter les ribosomes humains. Dans toutes les espèces, plus d'un ribosome peut se déplacer le long d'une seule chaîne d'ARNm à la fois (en tant que polysome), chacun "lisant" une séquence spécifique et produisant une molécule de protéine correspondante.

Les ribosomes mitochondriaux des cellules eucaryotes ressemblent fonctionnellement à de nombreuses caractéristiques de ceux des bactéries, reflétant l'origine évolutive probable des mitochondries. [6] [7]

Les ribosomes ont été observés pour la première fois au milieu des années 1950 par le biologiste cellulaire roumano-américain George Emil Palade, à l'aide d'un microscope électronique, sous forme de particules denses ou de granules. [8] Le terme « ribosome » a été proposé par le scientifique Richard B. Roberts à la fin des années 1950 :

Au cours du colloque, une difficulté sémantique est apparue. Pour certains des participants, les « microsomes » désignent les particules de ribonucléoprotéines de la fraction de microsomes contaminées par d'autres protéines et matières lipidiques. Pour d'autres, les microsomes sont constitués de protéines et de lipides contaminés par des particules. L'expression "particules microsomiques" ne semble pas adéquate, et "particules ribonucléoprotéiques de la fraction microsomique" est beaucoup trop maladroite. Au cours de la réunion, le mot "ribosome" a été suggéré, qui a un nom très satisfaisant et un son agréable. La confusion actuelle serait éliminée si "ribosome" était adopté pour désigner des particules de ribonucléoprotéine de tailles allant de 35 à 100S.

Albert Claude, Christian de Duve et George Emil Palade ont reçu conjointement le prix Nobel de physiologie ou médecine, en 1974, pour la découverte du ribosome. [10] Le prix Nobel de chimie 2009 a été décerné à Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz et Ada E. Yonath pour avoir déterminé la structure détaillée et le mécanisme du ribosome. [11]

Le ribosome est une machine cellulaire complexe. Il est en grande partie constitué d'ARN spécialisé appelé ARN ribosomique (ARNr) ainsi que de dizaines de protéines distinctes (le nombre exact varie légèrement d'une espèce à l'autre). Les protéines ribosomiques et les ARNr sont arrangés en deux morceaux ribosomiques distincts de tailles différentes, généralement connus sous le nom de grande et petite sous-unité du ribosome. Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités qui s'emboîtent (figure 2) et fonctionnent comme une seule pour traduire l'ARNm en une chaîne polypeptidique pendant la synthèse des protéines (figure 1). Parce qu'ils sont formés de deux sous-unités de taille inégale, ils sont légèrement plus longs dans l'axe que dans le diamètre.

Ribosomes bactériens Modifier

Les ribosomes bactériens ont un diamètre d'environ 20 nm (200 ) et sont composés à 65 % d'ARNr et à 35 % de protéines ribosomiques. [12] Les ribosomes eucaryotes ont un diamètre compris entre 25 et 30 nm (250-300 Å) avec un rapport ARNr/protéine proche de 1. [13] Des travaux cristallographiques [14] ont montré qu'il n'existe pas de protéines ribosomiques proches au site de réaction pour la synthèse du polypeptide. Cela suggère que les composants protéiques des ribosomes ne participent pas directement à la catalyse de la formation de liaisons peptidiques, mais plutôt que ces protéines agissent comme un échafaudage qui peut améliorer la capacité de l'ARNr à synthétiser des protéines (voir : Ribozyme).

Les sous-unités ribosomiques des bactéries et des eucaryotes sont assez similaires. [16]

L'unité de mesure utilisée pour décrire les sous-unités ribosomiques et les fragments d'ARNr est l'unité Svedberg, une mesure de la vitesse de sédimentation en centrifugation plutôt que de la taille. Cela explique pourquoi les noms de fragments ne s'additionnent pas : par exemple, les ribosomes bactériens 70S sont constitués de sous-unités 50S et 30S.

Les bactéries ont des ribosomes 70S, chacun composé d'une petite (30S) et d'une grande (50S) sous-unités. E. coli, par exemple, possède une sous-unité d'ARN 16S (constituée de 1540 nucléotides) liée à 21 protéines. La grande sous-unité est composée d'une sous-unité d'ARN 5S (120 nucléotides), d'une sous-unité d'ARN 23S (2900 nucléotides) et de 31 protéines. [16]

Ribosome de E. coli (une bactérie) [17] : 962
ribosome sous-unité ARNr protéines r
70S 50S 23S (2904 ent) 31
5S (120 nt)
30S 16S (1542 ent) 21

Marqueur d'affinité pour les sites de liaison de l'ARNt sur le E. coli Le ribosome a permis l'identification des protéines des sites A et P les plus probablement associées à l'activité peptidyltransférase. Les protéines marquées sont L27, L14, L15, L16, L2, au moins L27 est situé sur le site donneur, comme le montrent E. Collatz et A.P. Czernilofsky. [18] [19] Des recherches supplémentaires ont démontré que les protéines S1 et S21, en association avec l'extrémité 3' de l'ARN ribosomal 16S, sont impliquées dans l'initiation de la traduction. [20]

Ribosomes archéens Modifier

Les ribosomes archéens partagent les mêmes dimensions générales que celles des bactéries, étant un ribosome 70S composé d'une grande sous-unité 50S, d'une petite sous-unité 30S et contenant trois chaînes d'ARNr. Cependant, au niveau de la séquence, ils sont beaucoup plus proches des eucaryotes que des bactéries. Chaque protéine ribosomique supplémentaire que les archées ont par rapport aux bactéries a une contrepartie eucaryote, alors qu'aucune relation de ce type ne s'applique entre les archées et les bactéries. [21]

Ribosomes eucaryotes Modifier

Les eucaryotes ont des ribosomes 80S situés dans leur cytosol, chacun constitué d'une petite (40S) et d'une grande (60S) sous-unités. Leur sous-unité 40S possède un ARN 18S (1900 nucléotides) et 33 protéines. [22] [23] La grande sous-unité est composée d'un ARN 5S (120 nucléotides), d'un ARN 28S (4700 nucléotides), d'un ARN 5.8S (160 nucléotides) et de 46 protéines. [16] [22] [24]

ribosomes cytosoliques eucaryotes (R. norvegicus) [17] : 65
ribosome sous-unité ARNr protéines r
80S 60S 28S (4718 nt) 49
5.8S (160 nt)
5S (120 nt)
40S 18S (1874 nt) 33

En 1977, Czernilofsky a publié des recherches utilisant le marquage d'affinité pour identifier les sites de liaison à l'ARNt sur les ribosomes du foie de rat. Plusieurs protéines, dont L32/33, L36, L21, L23, L28/29 et L13 ont été impliquées comme étant au niveau ou à proximité du centre de la peptidyl transférase. [25]

Plastoribosomes et mitoribosomes Modifier

Chez les eucaryotes, les ribosomes sont présents dans les mitochondries (parfois appelées mitoribosomes) et dans les plastes tels que les chloroplastes (également appelés plastoribosomes). Ils se composent également de grandes et petites sous-unités liées avec des protéines dans une particule 70S. [16] Ces ribosomes sont similaires à ceux des bactéries et on pense que ces organites sont originaires de bactéries symbiotiques [16] Des deux, les ribosomes chloroplastiques sont plus proches des bactéries que des mitochondriaux. De nombreux morceaux d'ARN ribosomique dans les mitochondries sont raccourcis et, dans le cas de l'ARNr 5S, remplacés par d'autres structures chez les animaux et les champignons. [26] En particulier, Leishmania tarentole a un ensemble minimalisé d'ARNr mitochondrial. [27] En revanche, les mitoribosomes végétaux ont à la fois un ARNr étendu et des protéines supplémentaires par rapport aux bactéries, en particulier de nombreuses protéines répétées pentatricopetide. [28]

Les algues cryptomonades et chlorarachniophytes peuvent contenir un nucléomorphe qui ressemble à un noyau eucaryote vestigial. [29] Des ribosomes eucaryotes 80S peuvent être présents dans le compartiment contenant le nucléomorphe. [ citation requise ]

Utiliser les différences Modifier

Les différences entre les ribosomes bactériens et eucaryotes sont exploitées par les chimistes pharmaceutiques pour créer des antibiotiques qui peuvent détruire une infection bactérienne sans endommager les cellules de la personne infectée. En raison des différences dans leurs structures, les ribosomes bactériens 70S sont vulnérables à ces antibiotiques alors que les ribosomes eucaryotes 80S ne le sont pas. [30] Même si les mitochondries possèdent des ribosomes similaires à ceux bactériens, les mitochondries ne sont pas affectées par ces antibiotiques car elles sont entourées d'une double membrane qui n'admet pas facilement ces antibiotiques dans l'organite. [31] Un contre-exemple remarquable, cependant, comprend l'antibiotique antinéoplasique chloramphénicol, qui inhibe avec succès les ribosomes 50S bactériens et eucaryotes mitochondriaux 50S. [32] On ne peut pas en dire autant des mitochondries des chloroplastes, où la résistance aux antibiotiques des protéines ribosomiques est un trait à introduire comme marqueur dans le génie génétique. [33]

Propriétés communes Modifier

Les différents ribosomes partagent une structure centrale, qui est assez similaire malgré les grandes différences de taille. Une grande partie de l'ARN est hautement organisée en divers motifs structuraux tertiaires, par exemple des pseudo-nœuds qui présentent un empilement coaxial. L'ARN supplémentaire dans les plus gros ribosomes se trouve dans plusieurs longues insertions continues [34] de telle sorte qu'elles forment des boucles hors de la structure centrale sans la perturber ni la modifier. [16] Toute l'activité catalytique du ribosome est réalisée par l'ARN, les protéines résident à la surface et semblent stabiliser la structure. [16]

Structure haute résolution Modifier

La structure moléculaire générale du ribosome est connue depuis le début des années 1970. Au début des années 2000, la structure a été réalisée à des résolutions élevées, de l'ordre de quelques ångströms.

Les premiers articles donnant la structure du ribosome à résolution atomique ont été publiés presque simultanément fin 2000. La sous-unité 50S (grande procaryote) a été déterminée à partir de l'archéon Haloarcula marismortui [35] et la bactérie Déinocoque radiodurans, [36] et la structure de la sous-unité 30S a été déterminée à partir de Thermus thermophilus. [15] Ces études structurales ont reçu le prix Nobel de chimie en 2009. En mai 2001, ces coordonnées ont été utilisées pour reconstruire l'ensemble T. thermophilus Particule 70S à une résolution de 5,5 Å. [37]

Deux articles ont été publiés en novembre 2005 avec les structures du Escherichia coli Ribosome 70S. Les structures d'un ribosome vacant ont été déterminées à une résolution de 3,5 en utilisant la cristallographie aux rayons X. [38] Puis, deux semaines plus tard, une structure basée sur la cryomicroscopie électronique a été publiée, [39] qui représente le ribosome à une résolution de 11 à 15 Å en train de faire passer un brin de protéine nouvellement synthétisé dans le canal conducteur de protéine.

Les premières structures atomiques du ribosome complexées avec des molécules d'ARNt et d'ARNm ont été résolues en utilisant la cristallographie aux rayons X par deux groupes indépendamment, à 2,8 [40] et à 3,7 . [41] Ces structures permettent de voir le détail des interactions des Thermus thermophilus ribosome avec l'ARNm et avec les ARNt liés aux sites ribosomiques classiques. Les interactions du ribosome avec de longs ARNm contenant des séquences Shine-Dalgarno ont été visualisées peu après à une résolution de 4,5 à 5,5 Å. [42]

En 2011, la première structure atomique complète du ribosome eucaryote 80S de la levure Saccharomyces cerevisiae a été obtenu par cristallographie. [22] Le modèle révèle l'architecture des éléments spécifiques aux eucaryotes et leur interaction avec le noyau universellement conservé. Dans le même temps, le modèle complet d'une structure ribosomique eucaryote 40S dans Tetrahymena thermophila was published and described the structure of the 40S subunit, as well as much about the 40S subunit's interaction with eIF1 during translation initiation. [23] Similarly, the eukaryotic 60S subunit structure was also determined from Tetrahymena thermophila in complex with eIF6. [24]

Ribosomes are minute particles consisting of RNA and associated proteins that function to synthesize proteins. Proteins are needed for many cellular functions such as repairing damage or directing chemical processes. Ribosomes can be found floating within the cytoplasm or attached to the endoplasmic reticulum. Their main function is to convert genetic code into an amino acid sequence and to build protein polymers from amino acid monomers.

Ribosomes act as catalysts in two extremely important biological processes called peptidyl transfer and peptidyl hydrolysis. [43] The "PT center is responsible for producing protein bonds during protein elongation". [43]

Translation Edit

Ribosomes are the workplaces of protein biosynthesis, the process of translating mRNA into protein. The mRNA comprises a series of codons which are decoded by the ribosome so as to make the protein. Using the mRNA as a template, the ribosome traverses each codon (3 nucleotides) of the mRNA, pairing it with the appropriate amino acid provided by an aminoacyl-tRNA. Aminoacyl-tRNA contains a complementary anticodon on one end and the appropriate amino acid on the other. For fast and accurate recognition of the appropriate tRNA, the ribosome utilizes large conformational changes (conformational proofreading). [44] The small ribosomal subunit, typically bound to an aminoacyl-tRNA containing the first amino acid methionine, binds to an AUG codon on the mRNA and recruits the large ribosomal subunit. The ribosome contains three RNA binding sites, designated A, P and E. The A-site binds an aminoacyl-tRNA or termination release factors [45] [46] the P-site binds a peptidyl-tRNA (a tRNA bound to the poly-peptide chain) and the E-site (exit) binds a free tRNA. Protein synthesis begins at a start codon AUG near the 5' end of the mRNA. mRNA binds to the P site of the ribosome first. The ribosome recognizes the start codon by using the Shine-Dalgarno sequence of the mRNA in prokaryotes and Kozak box in eukaryotes.

Although catalysis of the peptide bond involves the C2 hydroxyl of RNA's P-site adenosine in a proton shuttle mechanism, other steps in protein synthesis (such as translocation) are caused by changes in protein conformations. Since their catalytic core is made of RNA, ribosomes are classified as "ribozymes," [47] and it is thought that they might be remnants of the RNA world. [48]

In Figure 5, both ribosomal subunits ( small and large ) assemble at the start codon (towards the 5' end of the mRNA). The ribosome uses tRNA that matches the current codon (triplet) on the mRNA to append an amino acid to the polypeptide chain. This is done for each triplet on the mRNA, while the ribosome moves towards the 3' end of the mRNA. Usually in bacterial cells, several ribosomes are working parallel on a single mRNA, forming what is called a polyribosome ou polysome.

Cotranslational folding Edit

The ribosome is known to actively participate in the protein folding. [49] [50] The structures obtained in this way are usually identical to the ones obtained during protein chemical refolding however, the pathways leading to the final product may be different. [51] [52] In some cases, the ribosome is crucial in obtaining the functional protein form. For example, one of the possible mechanisms of folding of the deeply knotted proteins relies on the ribosome pushing the chain through the attached loop. [53]

Addition of translation-independent amino acids Edit

Presence of a ribosome quality control protein Rqc2 is associated with mRNA-independent protein elongation. [54] [55] This elongation is a result of ribosomal addition (via tRNAs brought by Rqc2) of CHAT tails: ribosomes extend the C-terminus of a stalled protein with random, translation-independent sequences of unelanines and threonines. [56] [57]

Ribosomes are classified as being either "free" or "membrane-bound".

Free and membrane-bound ribosomes differ only in their spatial distribution they are identical in structure. Whether the ribosome exists in a free or membrane-bound state depends on the presence of an ER-targeting signal sequence on the protein being synthesized, so an individual ribosome might be membrane-bound when it is making one protein, but free in the cytosol when it makes another protein.

Ribosomes are sometimes referred to as organelles, but the use of the term organite is often restricted to describing sub-cellular components that include a phospholipid membrane, which ribosomes, being entirely particulate, do not. For this reason, ribosomes may sometimes be described as "non-membranous organelles".

Free ribosomes Edit

Free ribosomes can move about anywhere in the cytosol, but are excluded from the cell nucleus and other organelles. Proteins that are formed from free ribosomes are released into the cytosol and used within the cell. Since the cytosol contains high concentrations of glutathione and is, therefore, a reducing environment, proteins containing disulfide bonds, which are formed from oxidized cysteine residues, cannot be produced within it.

Membrane-bound ribosomes Edit

When a ribosome begins to synthesize proteins that are needed in some organelles, the ribosome making this protein can become "membrane-bound". In eukaryotic cells this happens in a region of the endoplasmic reticulum (ER) called the "rough ER". The newly produced polypeptide chains are inserted directly into the ER by the ribosome undertaking vectorial synthesis and are then transported to their destinations, through the secretory pathway. Bound ribosomes usually produce proteins that are used within the plasma membrane or are expelled from the cell via exocytosis. [58]

In bacterial cells, ribosomes are synthesized in the cytoplasm through the transcription of multiple ribosome gene operons. In eukaryotes, the process takes place both in the cell cytoplasm and in the nucleolus, which is a region within the cell nucleus. The assembly process involves the coordinated function of over 200 proteins in the synthesis and processing of the four rRNAs, as well as assembly of those rRNAs with the ribosomal proteins.

The ribosome may have first originated in an RNA world, appearing as a self-replicating complex that only later evolved the ability to synthesize proteins when amino acids began to appear. [59] Studies suggest that ancient ribosomes constructed solely of rRNA could have developed the ability to synthesize peptide bonds. [60] [61] [62] In addition, evidence strongly points to ancient ribosomes as self-replicating complexes, where the rRNA in the ribosomes had informational, structural, and catalytic purposes because it could have coded for tRNAs and proteins needed for ribosomal self-replication. [63] Hypothetical cellular organisms with self-replicating RNA but without DNA are called ribocytes (or ribocells). [64] [65]

As amino acids gradually appeared in the RNA world under prebiotic conditions, [66] [67] their interactions with catalytic RNA would increase both the range and efficiency of function of catalytic RNA molecules. [59] Thus, the driving force for the evolution of the ribosome from an ancient self-replicating machine into its current form as a translational machine may have been the selective pressure to incorporate proteins into the ribosome's self-replicating mechanisms, so as to increase its capacity for self-replication. [63] [68] [69]

Ribosomes are compositionally heterogeneous between species and even within the same cell, as evidenced by the existence of cytoplasmic and mitochondria ribosomes within the same eukaryotic cells. Certain researchers have suggested that heterogeneity in the composition of ribosomal proteins in mammals is important for gene regulation, c'est à dire., the specialized ribosome hypothesis. [70] [71] However, this hypothesis is controversial and the topic of ongoing research. [72] [73]

Heterogeneity in ribosome composition was first proposed to be involved in translational control of protein synthesis by Vince Mauro and Gerald Edelman. [74] They proposed the ribosome filter hypothesis to explain the regulatory functions of ribosomes. Evidence has suggested that specialized ribosomes specific to different cell populations may affect how genes are translated. [75] Some ribosomal proteins exchange from the assembled complex with cytosolic copies [76] suggesting that the structure of the in vivo ribosome can be modified without synthesizing an entire new ribosome.

Certain ribosomal proteins are absolutely critical for cellular life while others are not. In budding yeast, 14/78 ribosomal proteins are non-essential for growth, while in humans this depends on the cell of study. [77] Other forms of heterogeneity include post-translational modifications to ribosomal proteins such as acetylation, methylation, and phosphorylation. [78] Arabidopsis, [79] [80] [81] [82] Viral internal ribosome entry sites (IRESs) may mediate translations by compositionally distinct ribosomes. For example, 40S ribosomal units without eS25 in yeast and mammalian cells are unable to recruit the CrPV IGR IRES. [83]

Heterogeneity of ribosomal RNA modifications plays an important role in structural maintenance and/or function and most mRNA modifications are found in highly conserved regions. [84] [85] The most common rRNA modifications are pseudouridylation and 2’-O methylation of ribose. [86]


Ribosomes and Protein Synthesis

The synthesis of proteins consumes more of a cell’s energy than any other metabolic process. In turn, proteins account for more mass than any other component of living organisms (with the exception of water), and proteins perform virtually every function of a cell. The process of translation, or protein synthesis, involves the decoding of an mRNA message into a polypeptide product. Amino acids are covalently strung together by interlinking peptide bonds in lengths ranging from approximately 50 amino acid residues to more than 1,000. Each individual amino acid has an amino group (NH2) and a carboxyl (COOH) group. Polypeptides are formed when the amino group of one amino acid forms an amide (i.e., peptide) bond with the carboxyl group of another amino acid ([link]). This reaction is catalyzed by ribosomes and generates one water molecule.

The Protein Synthesis Machinery

In addition to the mRNA template, many molecules and macromolecules contribute to the process of translation. The composition of each component may vary across species for instance, ribosomes may consist of different numbers of rRNAs and polypeptides depending on the organism. However, the general structures and functions of the protein synthesis machinery are comparable from bacteria to human cells. Translation requires the input of an mRNA template, ribosomes, tRNAs, and various enzymatic factors.

Click through the steps of this PBS interactive to see protein synthesis in action.

Ribosomes

Even before an mRNA is translated, a cell must invest energy to build each of its ribosomes. Dans E. coli, there are between 10,000 and 70,000 ribosomes present in each cell at any given time. A ribosome is a complex macromolecule composed of structural and catalytic rRNAs, and many distinct polypeptides. In eukaryotes, the nucleolus is completely specialized for the synthesis and assembly of rRNAs.

Ribosomes exist in the cytoplasm in prokaryotes and in the cytoplasm and rough endoplasmic reticulum in eukaryotes. Mitochondria and chloroplasts also have their own ribosomes in the matrix and stroma, which look more similar to prokaryotic ribosomes (and have similar drug sensitivities) than the ribosomes just outside their outer membranes in the cytoplasm. Ribosomes dissociate into large and small subunits when they are not synthesizing proteins and reassociate during the initiation of translation. Dans E. coli, the small subunit is described as 30S, and the large subunit is 50S, for a total of 70S (recall that Svedberg units are not additive). Mammalian ribosomes have a small 40S subunit and a large 60S subunit, for a total of 80S. The small subunit is responsible for binding the mRNA template, whereas the large subunit sequentially binds tRNAs. Each mRNA molecule is simultaneously translated by many ribosomes, all synthesizing protein in the same direction: reading the mRNA from 5' to 3' and synthesizing the polypeptide from the N terminus to the C terminus. The complete mRNA/poly-ribosome structure is called a polysome.

TRNAs

The tRNAs are structural RNA molecules that were transcribed from genes by RNA polymerase III. Depending on the species, 40 to 60 types of tRNAs exist in the cytoplasm. Serving as adaptors, specific tRNAs bind to sequences on the mRNA template and add the corresponding amino acid to the polypeptide chain. Therefore, tRNAs are the molecules that actually “translate” the language of RNA into the language of proteins.

Of the 64 possible mRNA codons—or triplet combinations of A, U, G, and C—three specify the termination of protein synthesis and 61 specify the addition of amino acids to the polypeptide chain. Of these 61, one codon (AUG) also encodes the initiation of translation. Each tRNA anticodon can base pair with one of the mRNA codons and add an amino acid or terminate translation, according to the genetic code. For instance, if the sequence CUA occurred on an mRNA template in the proper reading frame, it would bind a tRNA expressing the complementary sequence, GAU, which would be linked to the amino acid leucine.

As the adaptor molecules of translation, it is surprising that tRNAs can fit so much specificity into such a small package. Consider that tRNAs need to interact with three factors: 1) they must be recognized by the correct aminoacyl synthetase (see below) 2) they must be recognized by ribosomes and 3) they must bind to the correct sequence in mRNA.

Aminoacyl tRNA Synthetases

The process of pre-tRNA synthesis by RNA polymerase III only creates the RNA portion of the adaptor molecule. The corresponding amino acid must be added later, once the tRNA is processed and exported to the cytoplasm. Through the process of tRNA “charging,” each tRNA molecule is linked to its correct amino acid by a group of enzymes called aminoacyl tRNA synthetases. At least one type of aminoacyl tRNA synthetase exists for each of the 20 amino acids the exact number of aminoacyl tRNA synthetases varies by species. These enzymes first bind and hydrolyze ATP to catalyze a high-energy bond between an amino acid and adenosine monophosphate (AMP) a pyrophosphate molecule is expelled in this reaction. The activated amino acid is then transferred to the tRNA, and AMP is released.

The Mechanism of Protein Synthesis

As with mRNA synthesis, protein synthesis can be divided into three phases: initiation, elongation, and termination. The process of translation is similar in prokaryotes and eukaryotes. Here we’ll explore how translation occurs in E. coli, a representative prokaryote, and specify any differences between prokaryotic and eukaryotic translation.

Initiation of Translation

Protein synthesis begins with the formation of an initiation complex. Dans E. coli, this complex involves the small 30S ribosome, the mRNA template, three initiation factors (IFs IF-1, IF-2, and IF-3), and a special initiator tRNA, called t R N A f M e t

. The initiator tRNA interacts with the start codon AUG (or rarely, GUG), links to a formylated methionine called fMet, and can also bind IF-2. Formylated methionine is inserted by f M e t − t R N A f M e t

at the beginning of every polypeptide chain synthesized by E. coli, but it is usually clipped off after translation is complete. When an in-frame AUG is encountered during translation elongation, a non-formylated methionine is inserted by a regular Met-tRNA Met .

Dans E. coli mRNA, a sequence upstream of the first AUG codon, called the Shine-Dalgarno sequence (AGGAGG), interacts with the rRNA molecules that compose the ribosome. This interaction anchors the 30S ribosomal subunit at the correct location on the mRNA template. Guanosine triphosphate (GTP), which is a purine nucleotide triphosphate, acts as an energy source during translation—both at the start of elongation and during the ribosome’s translocation.

In eukaryotes, a similar initiation complex forms, comprising mRNA, the 40S small ribosomal subunit, IFs, and nucleoside triphosphates (GTP and ATP). The charged initiator tRNA, called Met-tRNAje, does not bind fMet in eukaryotes, but is distinct from other Met-tRNAs in that it can bind IFs.

Instead of depositing at the Shine-Dalgarno sequence, the eukaryotic initiation complex recognizes the 7-methylguanosine cap at the 5' end of the mRNA. A cap-binding protein (CBP) and several other IFs assist the movement of the ribosome to the 5' cap. Once at the cap, the initiation complex tracks along the mRNA in the 5' to 3' direction, searching for the AUG start codon. Many eukaryotic mRNAs are translated from the first AUG, but this is not always the case. Selon Kozak’s rules, the nucleotides around the AUG indicate whether it is the correct start codon. Kozak’s rules state that the following consensus sequence must appear around the AUG of vertebrate genes: 5'-gccRccAUGG-3'. The R (for purine) indicates a site that can be either A or G, but cannot be C or U. Essentially, the closer the sequence is to this consensus, the higher the efficiency of translation.

Once the appropriate AUG is identified, the other proteins and CBP dissociate, and the 60S subunit binds to the complex of Met-tRNAje, mRNA, and the 40S subunit. This step completes the initiation of translation in eukaryotes.

Translation, Elongation, and Termination

In prokaryotes and eukaryotes, the basics of elongation are the same, so we will review elongation from the perspective of E. coli. The 50S ribosomal subunit of E. coli consists of three compartments: the A (aminoacyl) site binds incoming charged aminoacyl tRNAs. The P (peptidyl) site binds charged tRNAs carrying amino acids that have formed peptide bonds with the growing polypeptide chain but have not yet dissociated from their corresponding tRNA. The E (exit) site releases dissociated tRNAs so that they can be recharged with free amino acids. There is one exception to this assembly line of tRNAs: in E. coli, f M e t − t R N A f M e t

is capable of entering the P site directly without first entering the A site. Similarly, the eukaryotic Met-tRNAje, with help from other proteins of the initiation complex, binds directly to the P site. In both cases, this creates an initiation complex with a free A site ready to accept the tRNA corresponding to the first codon after the AUG.

During translation elongation, the mRNA template provides specificity. As the ribosome moves along the mRNA, each mRNA codon comes into register, and specific binding with the corresponding charged tRNA anticodon is ensured. If mRNA were not present in the elongation complex, the ribosome would bind tRNAs nonspecifically.

Elongation proceeds with charged tRNAs entering the A site and then shifting to the P site followed by the E site with each single-codon “step” of the ribosome. Ribosomal steps are induced by conformational changes that advance the ribosome by three bases in the 3' direction. The energy for each step of the ribosome is donated by an elongation factor that hydrolyzes GTP. Peptide bonds form between the amino group of the amino acid attached to the A-site tRNA and the carboxyl group of the amino acid attached to the P-site tRNA. The formation of each peptide bond is catalyzed by peptidyl transferase, an RNA-based enzyme that is integrated into the 50S ribosomal subunit. The energy for each peptide bond formation is derived from GTP hydrolysis, which is catalyzed by a separate elongation factor. The amino acid bound to the P-site tRNA is also linked to the growing polypeptide chain. As the ribosome steps across the mRNA, the former P-site tRNA enters the E site, detaches from the amino acid, and is expelled ([link]). Amazingly, the E. coli translation apparatus takes only 0.05 seconds to add each amino acid, meaning that a 200-amino acid protein can be translated in just 10 seconds.

Many antibiotics inhibit bacterial protein synthesis. For example, tetracycline blocks the A site on the bacterial ribosome, and chloramphenicol blocks peptidyl transfer. What specific effect would you expect each of these antibiotics to have on protein synthesis?

Tetracycline would directly affect:

Chloramphenicol would directly affect

Termination of translation occurs when a nonsense codon (UAA, UAG, or UGA) is encountered. Upon aligning with the A site, these nonsense codons are recognized by release factors in prokaryotes and eukaryotes that instruct peptidyl transferase to add a water molecule to the carboxyl end of the P-site amino acid. This reaction forces the P-site amino acid to detach from its tRNA, and the newly made protein is released. The small and large ribosomal subunits dissociate from the mRNA and from each other they are recruited almost immediately into another translation initiation complex. After many ribosomes have completed translation, the mRNA is degraded so the nucleotides can be reused in another transcription reaction.

Protein Folding, Modification, and Targeting

During and after translation, individual amino acids may be chemically modified, signal sequences may be appended, and the new protein “folds” into a distinct three-dimensional structure as a result of intramolecular interactions. UNE signal sequence is a short tail of amino acids that directs a protein to a specific cellular compartment. These sequences at the amino end or the carboxyl end of the protein can be thought of as the protein’s “train ticket” to its ultimate destination. Other cellular factors recognize each signal sequence and help transport the protein from the cytoplasm to its correct compartment. For instance, a specific sequence at the amino terminus will direct a protein to the mitochondria or chloroplasts (in plants). Once the protein reaches its cellular destination, the signal sequence is usually clipped off.

Many proteins fold spontaneously, but some proteins require helper molecules, called chaperones, to prevent them from aggregating during the complicated process of folding. Even if a protein is properly specified by its corresponding mRNA, it could take on a completely dysfunctional shape if abnormal temperature or pH conditions prevent it from folding correctly.

Résumé de la section

The players in translation include the mRNA template, ribosomes, tRNAs, and various enzymatic factors. The small ribosomal subunit forms on the mRNA template either at the Shine-Dalgarno sequence (prokaryotes) or the 5' cap (eukaryotes). Translation begins at the initiating AUG on the mRNA, specifying methionine. The formation of peptide bonds occurs between sequential amino acids specified by the mRNA template according to the genetic code. Charged tRNAs enter the ribosomal A site, and their amino acid bonds with the amino acid at the P site. The entire mRNA is translated in three-nucleotide “steps” of the ribosome. When a nonsense codon is encountered, a release factor binds and dissociates the components and frees the new protein. Folding of the protein occurs during and after translation.

Connexions artistiques

[link] Many antibiotics inhibit bacterial protein synthesis. For example, tetracycline blocks the A site on the bacterial ribosome, and chloramphenicol blocks peptidyl transfer. What specific effect would you expect each of these antibiotics to have on protein synthesis?

Tetracycline would directly affect:

Chloramphenicol would directly affect

[link] Tetracycline: a Chloramphenicol: c.

Questions de révision

The RNA components of ribosomes are synthesized in the ________.

In any given species, there are at least how many types of aminoacyl tRNA synthetases?

Réponse libre

Transcribe and translate the following DNA sequence (nontemplate strand): 5’-ATGGCCGGTTATTAAGCA-3’

The mRNA would be: 5’-AUGGCCGGUUAUUAAGCA-3’. The protein would be: MAGY. Even though there are six codons, the fifth codon corresponds to a stop, so the sixth codon would not be translated.

Explain how single nucleotide changes can have vastly different effects on protein function.

Nucleotide changes in the third position of codons may not change the amino acid and would have no effect on the protein. Other nucleotide changes that change important amino acids or create or delete start or stop codons would have severe effects on the amino acid sequence of the protein.

Glossaire

in eukaryotes, called tRNAje a tRNA that interacts with a start codon, binds directly to the ribosome P site, and links to a special methionine to begin a polypeptide chain

Kozak’s rules determines the correct initiation AUG in a eukaryotic mRNA the following consensus sequence must appear around the AUG: 5’-GCC(purine)CCAUGg-3’ the bolded bases are most important peptidyl transferase RNA-based enzyme that is integrated into the 50S ribosomal subunit and catalyzes the formation of peptide bonds polysome mRNA molecule simultaneously being translated by many ribosomes all going in the same direction Shine-Dalgarno sequence (AGGAGG) initiates prokaryotic translation by interacting with rRNA molecules comprising the 30S ribosome signal sequence short tail of amino acids that directs a protein to a specific cellular compartment start codon AUG (or rarely, GUG) on an mRNA from which translation begins always specifies methionine


Structure of a Ribosome

Ribosomes have an incredibly similar structure throughout all forms of life. Scientists attribute this to the ribosome being a very effective and efficient way of synthesizing proteins. Thus, early in the evolution of the various forms of life, the ribosome was universally adopted as the method for translating RNA into proteins. Ribosomes therefore change very little between different organisms. Ribosomes consist of a large and small subunit, which come together around an mRNA molecule when translation takes place. Each subunit is a combination of proteins and RNA, called ribosomal RNA (rRNA). This rRNA is exists in various strands of different length, and is surrounded by the many proteins that create a ribosome. The rRNA acts both to secure the mRNA and tRNA in the ribosome, and as a catalyst to speed the formation of peptide bonds between amino acids.

The small subunit, as seen in the image above, helps to hold the mRNA in place as the ribosome translates it into protein. The larger subunit has various sites involved with different parts of the protein synthesis process. When the tRNA first binds to the mRNA, the P site can bind to these molecules. The P site is named after the polymerization, or construction of polymers, that occurs there. Conformational changes occur in the proteins of the ribosome which causes it to change shapes during the various steps of protein synthesis. As amino acids are added to the chain, tRNAs move from the A site (where new amino acids with tRNAs enter) to the P site, and eventually to the E site (not pictured), where they exit the ribosome without their amino acid. The rRNA that is associated with the ribosome helps attach to the tRNAs as they move through the ribosome, and has been found to help catalyze the formation of peptide bonds. This RNA is known as a ribozyme, or RNA catalyst.

One notable difference between prokaryotic and eukaryotic ribosomes is size. Ribosomes are measured in Svedberg units, which are a measure of how long it takes a molecule to sediment out of solution in a centrifuge. The larger the number, the larger the molecule. Prokaryotic ribosomes are typically 70S, or Svedberg units. A eukaryotic ribosome is usually 80S. Eukaryotic ribosomes are larger because they contain more proteins and more RNA. Prokaryotic ribosomes contain 3 RNA molecules, while eukaryotic ribosomes contain 4 RNA molecules. The differences are subtle, as the ribosomes of each operate in much the same way.


Résumé de la section

The players in translation include the mRNA template, ribosomes, tRNAs, and various enzymatic factors. The small ribosomal subunit binds to the mRNA template either at the Shine-Dalgarno sequence (prokaryotes) or the 5′ cap (eukaryotes). Translation begins at the initiating AUG on the mRNA, specifying methionine. The formation of peptide bonds occurs between sequential amino acids matched to the mRNA template by their tRNAs according to the genetic code. Charged tRNAs enter the ribosomal A site, and their amino acid bonds with the amino acid at the P site. The entire mRNA is translated in three-nucleotide “steps” of the ribosome. When a nonsense codon is encountered, a release factor binds and dissociates the components and frees the new protein. Folding of the protein occurs during and after translation.


Discussion

Our analysis identified nascent single amino acids that with high confidence contribute to ribosome stalling. The approach taken here to detect these amino acids is based on strict definitions and includes important controls on the analyzed genes such as control for amino acids bias and for possible experimental/protocol biases. In addition, we performed for the first time multi-organismal study of this topic which includes the analysis of both prokaryotes and eukaryotes.

The statistical tests performed here are based on the enrichment of amino acids upstream from the ribosomal P-site, thus, features such as mRNA folding strength which tends to slow ribosomes down when it occurs downstream from the P-site cannot trivially explain our results. In addition, previous studies (par exemple. [18,39]) have suggested that the effect of rare codons on ribosome stalling tends to be less extreme than the effect of the interaction between the ribosomal exit tunnel and the nascent chain thus, we also believe that the reported results cannot be trivially explained by the use of rare/non-efficient codons (see Additional file 1 for analysis supporting this point).

It is important to mention that currently the biases arise from the ribosome profiling approach and the effect of different protocols are not completely understood [57,58]. Much effort was spent here to consider these possible biases by 1) excluding from the analysis the first 20 codons which are known to be biased [37,44,57] 2) filter low-coverage profiles 3) normalizing each profile by its mean coverage to account for coverage differences [10] 4) normalizing ribo-seq data by mRNA-seq data to account for shared biases between the two fractions [10] 5) analyzing many datasets corresponding to a few different experimental conditions 6) analyzing and comparing nine organisms (including eukaryotes and prokaryotes) 7) excluding pauses which might have been caused by SD sequences that hybridize with the prokaryotic ribosomal RNA [50,55]. Taken together, the reported results are based on a very conservative approach.

One of the major conclusions is related to the relation between positively charged amino acids and ribosome stalling. Previous studies have suggested that in S. cerevisiae positively charged amino acids play a role in ribosome stalling. Our analysis supports this conjecture in S. cerevisiae and also in specific datasets from D. melanogaster et P. falciparum. Therefore, our study suggests that the relation between amino acids charge and ribosomal halting is not universal.

In addition, our analysis suggests that not only positively charged amino acids interact with the RET. Specifically, we show that negatively charged amino acids tend to halt the ribosome via interactions with the exit tunnel in S. cerevisiae (Ingolia et al. 2009, starved condition growth [37]), D. melanogaster (Dunn et al. 2013, Embryos cushion [59]) and H. sapiens (Stumpf et al. 2013, G1 and S phase of HeLa cells [60]). Depuis le RET is negatively charged [19-21] it makes sense that it may undergo interactions with both positively and negatively charged amino acids. Furthermore, interestingly our analysis suggests that in some cases the negatively charged amino acids may prevent stalling this may be related to charge cancellation with possible positively charged amino acids that co-appear in proximity in the exit tunnel.

Although we discuss the stalling effect of each amino acid on ribosome stalling, we do not claim that the stalling is manipulated by a specific mechanism. In fact, the explanation regarding the exact type of interaction between these amino acids and the ribosome and the reason they differ across the tree of life is an open question for future studies.

The reported results support the conjecture that the amino acids composition of the nascent peptide affects the ribosomal translation speed and might even cause ribosomal arrest. Thus, this finding suggests a complex interaction between the protein co-translational folding, protein amino acid content and ribosomal elongation speed: the translated amino acids affect translation speed which may affect protein folding. Thus, we believe that there is a co-evolution among these variables.

The fact that different stalling amino acids were reported for the different analyzed organisms may suggest that the biochemical properties of the exit tunnel vary along the tree of life and/or in different conditions [61-64]. This finding also provides important insights about heterologous gene expression: the expression of the same protein in different organisms may affect its translation rate simply due to the different nature of the interactions between the protein amino acids and the ribosomal exit tunnels in new organisms. This fact can explain why the topic of heterologous gene expression is often very challenging and why synonymous manipulation on the protein alone is not always sufficient for solving problems in this field.

Finally, as a future research it would be interesting to generalize the results reported here by estimating the effect of short peptides and sets of amino acids (not necessarily neighbor amino acids) in the RET on ribosomal halting. For example, since stalling peptides interfere with translation, they are expected to be selected against to improve translational efficiency. Thus, it would be interesting to examine the relation between the stalling effect of these peptides and their representation in the proteome. However, this mission is statistically challenging due to the exponential increase in the number of sets of amino acids compositions with more than one amino acid.


Ribosome Subunits

Ribosomes in prokaryotes are of a 70S type or contain two subunits. 30-S denote the smaller subunit, and 50-S represent the larger subunit. Ribosomal subunits are large nucleoprotein particles, which possess both acide nucléique (RNA) and several protéines. Generally, the molecular weight of ribosome is nearly 2.7×106 Daltons.

16S rRNA and 21 proteins together constitute the formation of the smaller subunit, i.e. 30-S subunit of the ribosome. Besides, 5S plus 23S rRNA and 31 proteins make up the larger subunit, i.e. 50S subunit of the ribosome.

Both the subunits then conjoin to configure a complete 70-S ribosome at the time of protein synthesis. The 70-S type of ribosomes are 25nm wide, and its number per bacterial cell is about 15,000 ribosomes.

Both 50-S and 30-S type of subunits possess three sites for the association of tRNA:

  • UNE: This term denotes the aminoacyl chain. It accepts the incoming aminoacylated tRNA.
  • P: This term denotes the peptidyl chain. It holds the tRNA with the nascent peptide chain.
  • E: This term represents the exit site, and holds the deacylated tRNA.

As we know, ribosomes are the manufacturing units which ensures the synthesis of protein. Both the 30S and 50S subunit equally plays a fundamental role during the Traduction de ARNm into protein. The 30S subunit performs a vital role in the association of anticodon site of the adapter tRNA molecule to the mRNA strand transcribed from the DNA.

It also regulates the base pairing of the mRNA codons and tRNA anticodons during the decoding process. Therefore, 30S subunit also accounts for the accuracy in the base-pairing during translation.

The 50S subunit performs a significant role in the binding of the acceptor arm of tRNA. Then, the tRNA initiates the polypeptide chain formation relative to the information provided in the mRNA. It pairs the incoming amino acid on A-site tRNA and the nascent peptide chain attached to the P-site tRNA.

The 3D structure of ribosome reveals that there are 1540 nucleotide piece of RNA and 21 polypeptide chains in the 30S ribosomal subunit. In 50S subunit of prokaryotic ribosomes, there are 2900 nucleotide piece of RNA and 31 polypeptide chains. Through the structure of the ribosome, one can analyse the binding sites for the ARNt, ARNm et certaines antibiotiques targeting the ribosomes.

Fonction

The individual role of the 30S and 50S subunit is explained below:

30S subunit: It provides the binding site for the incoming transcribed mRNA. Also, the smaller subunit of prokaryotic ribosome ensures specific base-pairing between the codons and the anticodons on the mRNA and tRNA, respectively.

50S subunit: The larger subunit of prokaryote mediates the peptide bond formation during the peptidyl transfer reaction. It also acts as the site of inhibition for many antibiotics, including macrolides, chloramphenicol, clindamycin, and the pleuromutilins.

Moreover, it prevents premature polypeptide hydrolysis. It also functions as a region, to which G-protein factors can bind that regulates initiation, elongation, and termination. Besides this, 50S subunit also helps in the protein folding after the translation. The 50S subunit possesses a peptidyl-transferase activity site, which forms the peptide bond.

Significance

The ribosomes are large RNA-protein complex, and it plays a crucial role in the study of RNA, proteins and antibiotic interaction. Through the structure of the ribosome, we can study the RNA structure and its interactions with proteins. De nombreux antibiotiques interact with the ribosomes to inhibit the process of translation.

Hence, the role of antibiotics targeting ribosomes can also be studied for medical reasons. The primary function of a ribosome is to facilitate the binding of mRNA with tRNA during Traduction or protein synthesis. Proteins being basic building blocks of all the living cells, so its synthesis is necessary.


Voir la vidéo: Toll Like Receptors (Janvier 2023).