La infrastructura i funció dels ribosomes (Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz i Ada. E. Yonath)

Biologia molecular: Els ribosomes són complexos riboproteics, formats per àcids ribonucleics (ARNr) i proteïnes. Són els orgànuls on es produeix la síntesi de noves proteïnes a partir dels àcids nucleics missatgers (ARNm) que sintetiza i processa el nucli cel·lular. De ribosomes trobem en tots els organismes cel·lulars, bacteris, arqueons i eucariotes, i també els trobem dins d’orgànuls cel·lular autònoms com mitocondris i cloroplasts. Des dels anys 1950, una combinació de tècniques, des de la microscopia electrònica (on els ribosomes són identificats com a grànuls de Pallade, bé adherits al reticle endoplasmàtica, bé de manera lliure, solitaris o formants poliribosomes) fins a la ultracentrifugació (a través de la qual s’analitzaren les molècules que els integraven), passant per tota una sèrie d’estratègies bioquímiques i de biologia molecular, el coneixement sobre els ribosomes ha crescut. Enguany tres investigadors dedicats a la recerca en ribosomes han estat guardonats amb el Premi Nobel de Química: Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz i Ada E. Yonath.

Venkatraman Ramakrishnan

Venkatraman Ramakrishnan (*Chidambaram, Tamil Nadu, 1952) treballava a l’MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, United Kingdom. El seu laboratori, dedicat a qüestions d’estructura molecular, va aconseguir elucidar, l’any 2000, l’estructura de la subunitat menor (30S) del ribosoma bacterià. Aquesta subunitat consisteix en un complex format per una molècula d’ARN (ARNr 16 S, una cadena simple i linial de 1540 nucleòtids) i unes 21 proteïnes. El mèrit de Ramakrishnan fou mostrar en detall el plegament d’aquestes 22 molècules i les interaccions entre elles. Cal no oblidar que una de les vies d’acció de nombrosos antibiòtics (substàncies naturals antibacterianes, fabricades, sobretot, per fongs i actinomicets) és el bloqueig de la unió de la subunitat ribosomal 30S amb la subunitat major (50S), sense la qual no hi ha la integració ribosomal necessària per a la fabricació de noves proteïnes. El grup de Ramakrishnan es dedicà a analitzar les relacions estructurals que possibiliten l’efectivitat d’aquests antibiòtics. Més tard, Ramakrishnan ha contribuït a l’anàlisi global de les relacions estructurals del ribosoma sencer i les seves interaccions amb l’ARN de transferència (ARNt, que són les molècules que transfereixen els aminoàcids lliures que fan de base material de les noves proteïnes) i amb els ARNm (que són els que transfereixen la informació per seleccionar els aminoàcids de cada posició).

Thomas A. Steitz

Thomas A. Steitz (*1940) és professor a Yale i membre del Howard Hughes Medical Institute. Com els altres dos guardonats és una mostra de les conquestes de la biologia estructural de les darreres dècades. Si el microscopi òptic (particularment, a partir dels anys 1880) obria les portes a la definició bàsica de l’estructura cel·lular (nucli, orgànuls principals, etc.), el microscopi electrònic obre l’etapa de l’esclariment de la ultrastructura cel·lular (amb una resolució que arriba a les desenes de nanòmetre). Més enllà de l’ultrastructura cel·lular, hi ha la infrastructura, que lliga les dades de la primera amb els coneixements funcionals de la bioquímica i de la biologia molecular. La infrastructura vincula, doncs, estretament estructura i funció, i integra els coneixements de les dues aproximacions.

Ada E. Yonath

Ada E. Yonath (עדה יונת) va nàixer a Jerusalem el 22 de juny del 1939. Va estudiar a la Universitat Hebrea de Jerusalem, on es graduà en química (1962) i hi va fer el mestratge (1964). Ja en l’Institut Weizmann, orientà la tesi al camp de la cristal·lografia dels raigs X, que en la dècada anterior havien servit per descriure l’estructura molecular de doble hèlix de l’ADN. Doctorada el 1968, realitzà estades postdoctorals a la Carnegie Mellon University (1969) i al MIT (1970). El 1970 tornà a l’Institut Weizmann i encapçalà un laboratori pioner en la cristal·lografia de proteïnes. Aquesta activitat a Jerusalem la combinà amb una estada a la Universitat de Xicago i al Max Planck Institut d’Hamburg (1986-2004).

Des dels anys 1990 treballa en l’aplicació de la cristal·lografia al coneixement de la base estructura de la síntesi de proteïnes per part del ribosoma. Aquesta aproximació significava treballar, no pas amb substàncies (proteïnes o àcids nucleics) pures, sinó amb preparats ribosomals. Aquests estudis partien, naturalment, del coneixement bàsic sobre els processos ribosomals, però alhora van posar de manifest diverses facetes poc conegudes, com ara la implicació en la catàlisi dels ARNr, mentre que prèviament se’ls tenia com a elements purament estructurals. Els estudis criobiocristal·logràfics de les preparacions ribosomals de Yonath també han servit pel coneixement de l’acció dels antibiòtics, la base de les resistències als antibiòtics i el disseny de nous antibiòtics.

Estructura i funció dels ribosomes: l’aportació de la criobiocristal·lografia

La Reial Acadèmia Sueca de Ciència ha atorgat el Premi Nobel de Química de l’any 2009 a Venki Ramakrishnan, Thomas Steitz i Ada Yonath “per estudis de l’estructura i funció del ribosoma”.

Els ribosomes són les centrals de producció de noves proteïnes. Els ribosomes tradueixen la informació que arriba del nucli cel·lular (sigui embolcallat, com en els eucariotes; o sigui nu, com en bacteris i arqueons) en forma d’ARN missatgers, i la tradueix a proteïnes. Els ribosomes els trobem en dos estats:
– en l’estat de repòs, el ribosoma es troba dissociat en les seves dues subunitats, la menor i la major.
– en l’estat de treball, en presència d’ARNm, les dues subunitats s’uneixen.

Les tècniques d’ultracentrifugació van permetre descriure l’estructura bàsica dels ribosomes. Hom va veure també l’existència de dos grans tipus de ribosomes:
– els ribosomes eucariòtics són els que trobem en el citoplasma dels organismes eucariòtics, i tenen un coeficient de sedimentació de 80S.
– els ribosomes procariòtics els trobem tant en els bacteris i arqueons, com també en l’interior dels mitocondris i dels cloroplasts. Tenen un coeficient de sedimentació de 70S.

Els ribosomes 80S són formats a grans trets per:
– una subunitat menor (40S), integrada per una molècula d’ARNr (18S, de 1900 nucleòtids) i unes 33 proteïnes.
– una subunitat major (60S), integrada per tres molècules d’ARNr (5S, 28S i 5.8S, respectivament de 120, 4700 i 160 nucleòtids cadascuna) i unes 49 proteïnes.

Els ribosomes 70S segueixen el mateix esquema, però amb les següents diferències:
– una subunitat menor (30S), amb un ARNr més petit (16S, de 1540 nucleòtids) i únicament 21 proteïnes.
– una subunitat major (50S) formada per dues molècules d’ARNr (5S i 23S, de 120 i 2900 nucleòtids) i unes 34 proteïnes.

A partir d’aquest coneixement estructural bàsic dels ribosomes, s’alcen els treballs estructurals d’alta resolució. En la darrera dècada, doncs, hom ha pogut elucidar l’estructura del ribosoma fins a l’ordre de 10-10 m.

Els articles més importants d’aquesta fase de la recerca ribosomal són, possiblement:
Ban et al., 2000. El grup de Thomas A. Steitz hi caracteritza l’estructura de la subunitat ribosomal major de Haloarcula marismortui, un arqueó aïllat de les aigües hipersalines de la Mar Morta. Ho fa amb una resolució de 240 pm.
Schluenzen et al., 2000. El grup d’Ada Yonath descrivia l’estructura, amb una resolució de 330 pm, de la subunitat menor dels ribosomes del bacteri Thermus thermophilus, amb la particularitat que ho feia en una situació d’activació artificial, de forma que veien també els llocs d’unió dels ARNm i dels ARNt.
Wimberly et al., 2000. El grup de Ramakrishnan tractava la mateixa subunitat 30S de T. thermophilus amb una resolució de 300 pm.
Yusupov et al., 2001. El grup de Harry F. Noller oferia, a una resolució de 550 pm, l’estructura de tot el ribosoma de T. thermophilus.
Schuwirth et al., 2005. El grup de Jamie Cate presenta dues estructures dels ribosoma intacte d’Escherichia coli, obtingudes per cristal·lografia de raigs X, i amb una resolució de 350 pm.
Mitra et al., 2005. El grup de Joachim Frank presentava, amb una resolució de 1100 pm, l’estructura d’un ribosoma d’Escherichia coli, en funcionament i unit a un complex PCC, de la membrana bacteriana. El complex PCC permet que la nova proteïna que sintetitza el ribosoma sigui secretada al medi exterior (exoproteïna).
Selmer et al., 2006. El grup de Ramakrishnan presentava en aquest article l’estructura (obtinguda per cristal·lografia) d’un ribosoma bacterià sencer amb una resolució de 280 pm, i aprofundia en les relacions entre estructura i les dades bioquímiques i genètiques.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada