رناتن (ریبوزوم)؛ کارخانهٔ پروتئین‌سازی سلول
رناتن چیست و چه شکلی است؟
رناتن‌ها مانند کارخانه‌های پروتئین‌سازی بسیار کوچکی هستند که درون هر سلول زنده‌ای، از باکتری‌ها گرفته تا سلول‌های بدن انسان، یافت می‌شوند. آن‌ها ذراتی کروی و متراکم هستند که از دو بخش یا زیرواحد تشکیل شده‌اند که مانند یک ساندویچ به هم متصل می‌شوند. این دو بخش، یک شکاف یا دالان برای ورود مواد اولیه و خروج پروتئین ساخته شده ایجاد می‌کنند.
از نظر شیمیایی، رناتن‌ها عمدتاً از یک نوع خاص از RNA به نام RNA رناتنی1 و تعداد زیادی پروتئین مختلف ساخته شده‌اند. شاید جالب باشد که بدانید رناتن‌ها یک اندامک غشادار نیستند، یعنی برخلاف بسیاری از بخش‌های دیگر سلول، پوستهٔ محافظتی ندارند.
ریبوزوم در کجای سلول قرار دارد؟
رناتن‌ها را می‌توان در دو مکان اصلی در سلول پیدا کرد:
۱. در سیتوپلاسم به صورت آزاد: این رناتن‌ها در مایع سیتوپلاسم شناور هستند و معمولاً پروتئین‌هایی را می‌سازند که در داخل خود سلول استفاده می‌شوند.
۲. متصل به شبکه اندوپلاسمی زبر: شبکه اندوپلاسمی2 یک سیستم غشایی در سلول است. وقتی رناتن‌ها به آن متصل می‌شوند، به آن «زبر» می‌گویند. این رناتن‌ها پروتئین‌هایی را می‌سازند که باید به خارج از سلول فرستاده شوند یا در غشای سلول قرار گیرند.
| نوع رناتن | محل قرارگیری | کارکرد اصلی |
|---|---|---|
| رناتن آزاد | سیتوپلاسم | ساخت پروتئین‌های مورد استفاده درون خود سلول |
| رناتن متصل | شبکه اندوپلاسمی زبر | ساخت پروتئین‌های مقدر شده برای export یا استفاده در غشا |
ریبوزوم چگونه پروتئین می‌سازد؟ (روند ترجمه)
ساخت پروتئین که به آن «ترجمه»3 گفته می‌شود، مانند خواندن یک دستورالعمل و چیدن قطعات بر اساس آن است. این فرآیند چندین مرحلهٔ کلیدی دارد:
مرحله ۱: آغاز – رناتن دور RNA پیام‌رسان (mRNA) جمع می‌شود. mRNA حاوی دستورالعمل ساخت یک پروتئین خاص است که از روی DNA کپی شده است. اولین بلوک ساختمانی پروتئین که یک اسید آمینه است، به این مجموعه متصل می‌شود.
مرحله ۲: طویل‌سازی – این مرحلهٔ اصلی ساخت است. رناتن، mRNA را سه نوکلئوتید4 سه نوکلئوتید می‌خواند. هر مجموعه سه‌تایی که «کدون»5 نامیده می‌شود، مشخص می‌کند که کدام اسید آمینه باید بعدی اضافه شود. مولکول‌های دیگری به نام RNA ناقل (tRNA)، اسیدهای آمینهٔ correct را می‌آورند و آن‌ها را به زنجیرهٔ در حال رشد متصل می‌کنند.
مرحله ۳: پایان – وقتی رناتن به یک کدون «توقف» روی mRNA میرسد،یعنی دستورالعمل به پایان رسیده است. سپس، زنجیرهٔ کامل پروتئین از رناتن جدا می‌شود تا به کار خود در سلول بپردازد.
ریبوزوم در پروکاریوت ها در مقابل یوکاریوت ها
سلول‌های موجودات زنده به دو دستهٔ بزرگ تقسیم می‌شوند: پروکاریوت‌ها6 (مانند باکتری‌ها که هستهٔ واقعی ندارند) و یوکاریوت‌ها7 (مانند سلول‌های گیاهان، حیوانات و انسان که هستهٔ واقعی دارند). رناتن‌های آن‌ها نیز تفاوت‌هایی دارند که عمدتاً در اندازه است.
واحد اندازه‌گیری رناتن، «واحد سودبرگ»8 (S) است که بر اساس سرعت رسوب‌گذاری آن‌ها در یک سانتریفیوژ تعیین می‌شود. این تفاوت در اندازه، هدف مهمی برای آنتی‌بیوتیک‌ها است. بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌ها می‌توانند رناتن‌های باکتریایی (۷۰S) را مهار کنند در حالی که به رناتن‌های انسانی (۸۰S) آسیبی نمی‌رسانند.
| نوع سلول/موجود زنده | اندازهٔ کلی رناتن | زیرواحد کوچک | زیرواحد بزرگ |
|---|---|---|---|
| پروکاریوت (مثلاً باکتری E. coli) | 70S | 30S | 50S |
| یوکاریوت (مثلاً انسان) | 80S | 40S | 60S |
کاربردهای عملی و اهمیت ریبوزوم
اهمیت رناتن‌ها فراتر از کتاب‌های درسی است و درک آن‌ها کاربردهای واقعی زیادی در دنیای ما دارد:
۱. تولید آنتی‌بیوتیک: همانطور که گفته شد، بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌های رایج (مانند استرپتومایسین و اریترومایسین) با هدف قرار دادن رناتن‌های باکتریایی کار می‌کنند. آن‌ها به طور خاص به رناتن‌های باکتری می‌چسبند و از ساخت پروتئین در باکتری جلوگیری می‌کنند، که در نهایت منجر به مرگ باکتری بیماری‌زا می‌شود. از آنجایی که رناتن‌های انسان متفاوت هستند، این داروها به سلول‌های ما آسیب نمی‌زنند.
۲. بیماری‌ها: errors در عملکرد رناتن‌ها می‌تواند منجر به بیماری‌های مختلفی در انسان شود که به آن‌ها «ribosomopathies» می‌گویند. این بیماری‌ها اغلب بر اندام‌ها و بافت‌هایی تأثیر می‌گذارند که نیاز به تولید پروتئین بالا دارند، مانند مغز استخوان یا سیستم عصبی.
۳. تحقیقات سرطان: سلول‌های سرطانی برای رشد و تقسیم سریع خود به مقدار بسیار زیادی پروتئین نیاز دارند. بنابراین، آن‌ها فعالیت رناتن‌های خود را به شدت افزایش می‌دهند. دانشمندان در حال مطالعه بر روی داروهایی هستند که بتوانند به طور خاص رناتن‌های سلول‌های سرطانی را هدف قرار دهند و رشد تومور را متوقف کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. رناتن‌ها در همهٔ انواع سلول‌های زنده، از جمله سلول‌های گیاهان، قارچ‌ها، باکتری‌ها و آرکیا وجود دارند. وجود آن‌ها برای ادامهٔ حیات هر سلولی ضروری است.
پاسخ: خیر. رناتن‌ها حاوی DNA نیستند. آن‌ها دستورالعمل‌های ساخت پروتئین را از مولکول mRNA دریافت می‌کنند که خود آن از روی DNA در هسته سلول کپی شده است. رناتن فقط ماشین ترجمه‌کنندهٔ این دستورالعمل‌ها است.
پاسخ: زیرواحدهای رناتن توسط پیوندهای غیرکووالانسی و برهمکنش‌های بین پروتئین‌ها و RNAهای تشکیل‌دهندهٔ آن‌ها در کنار یکدیگر نگهداری می‌شوند. این ساختار بسیار پایدار است اما می‌تواند در شرایط خاص (مانند تغییر غلظت یون منیزیم $Mg^{2+}$) از هم جدا شود و دوباره組み گردد.
پاورقی
1RNA رناتنی (rRNA = Ribosomal RNA): نوعی RNA که جزء ساختاری اصلی ریبوزوم است و نقش کاتالیزوری در تشکیل پیوندهای پپتیدی بین اسیدهای آمینه دارد.
2شبکه اندوپلاسمی (Endoplasmic Reticulum): شبکه‌ای از کیسه‌ها و لوله‌های غشادار در سلول‌های یوکاریوتی که در سنتز پروتئین، متابولیسم لیپیدها و انتقال مواد نقش دارد.
3ترجمه (Translation): فرآیندی در سلول که در آن اطلاعات رمزگذاری شده در mRNA برای سنتز یک پروتئین خاص استفاده می‌شود.
4نوکلئوتید (Nucleotide): واحدهای سازندهٔ اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA). هر نوکلئوتید از یک قند، یک گروه فسفات و یک باز نیتروژنی تشکیل شده است.
5کدون (Codon): یک توالی سه نوکلئوتیدی روی mRNA که یک اسید آمینهٔ خاص یا یک سیگنال شروع/توقف ترجمه را مشخص می‌کند.
6پروکاریوت (Prokaryote): ارگانیسم‌های تک‌سلولی فاقد هستهٔ متصل به غشاء و سایر اندامک‌های متصل به غشاء. باکتری‌ها و آرکیا پروکاریوت هستند.
7یوکاریوت (Eukaryote): ارگانیسم‌هایی که سلول‌های آن‌ها دارای یک هستهٔ واقعی محصور در غشا و سایر اندامک‌های متصل به غشاء هستند. گیاهان، حیوانات، قارچ‌ها و آغازیان یوکاریوت هستند.
8واحد سودبرگ (Svedberg unit - S): واحدی برای نرخ رسوب یک ذره در سانتریفیوژ. این واحد افزودنی نیست (برای مثال، یک زیرواحد 30S و یک زیرواحد 50S together یک ریبوزوم 70S را تشکیل می‌دهند، نه 80S).