โครงสร้างและหน้าที่ของไรโบโซม

ไรโบโซมเป็นเครื่องจักรไรโบนิวคลีโอโปรตีนขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่แปลรหัส (translation) โดยการอ่านสารพันธุกรรมเอ็มอาร์เอ็นเอ (messenger RNA) และสังเคราะห์โปรตีน ประกอบด้วยอาร์เอ็นเอของไรโบโซม (ribosomal RNA) และโปรตีนหลายชนิดที่จัดเรียงตัวเป็นสองหน่วยย่อย ทำหน้าที่ทั้งถอดรหัสโคดอนและเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์

Definition

ไรโบโซมเป็นเชิงซ้อนไรโบนิวคลีโอโปรตีนสองหน่วยย่อย โดยหน่วยย่อยขนาดเล็กทำหน้าที่ถอดรหัสโคดอนของเอ็มอาร์เอ็นเอ และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์ผ่านอาร์เอ็นเอของไรโบโซม ทำให้ไรโบโซมจัดเป็นไรโบไซม์ (ribozyme)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสถาปัตยกรรมสองหน่วยย่อยของไรโบโซม องค์ประกอบของอาร์เอ็นเอของไรโบโซมและโปรตีน ศูนย์ถอดรหัสบนหน่วยย่อยขนาดเล็ก และศูนย์เพปทิดิลทรานสเฟอเรสบนหน่วยย่อยขนาดใหญ่ ตำแหน่งของทีอาร์เอ็นเอ (transfer RNA) แบบ A, P และ E และการค้นพบว่าการเร่งปฏิกิริยาเกิดจากอาร์เอ็นเอ เป็นหัวข้อเชิงโครงสร้างและกลไก ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• องค์ประกอบและสถาปัตยกรรมโดยรวมของไรโบโซมคืออะไร?
• การถอดรหัสและการสร้างพันธะเพปไทด์เกิดขึ้นที่ใด?
• เหตุใดไรโบโซมจึงถูกพิจารณาว่าเป็นไรโบไซม์?
• ไรโบโซมของแบคทีเรียและยูคาริโอตแตกต่างกันอย่างไร?

Key concepts

• หน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กและขนาดใหญ่
• อาร์เอ็นเอของไรโบโซม (rRNA) และโปรตีนของไรโบโซม
• ศูนย์ถอดรหัส (หน่วยย่อยขนาดเล็ก)
• ศูนย์เพปทิดิลทรานสเฟอเรส (หน่วยย่อยขนาดใหญ่)
• ตำแหน่ง A, P และ E ของทีอาร์เอ็นเอ
• โพลีโซม
• ตำแหน่งการจับของยาปฏิชีวนะ

Key theories

ไรโบโซมเป็นไรโบไซม์

โครงสร้างอะตอมของหน่วยย่อยขนาดใหญ่ไม่พบสายข้างของโปรตีนที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา ซึ่งบ่งชี้ว่าอาร์เอ็นเอของไรโบโซมเป็นองค์ประกอบหลักของศูนย์เพปทิดิลทรานสเฟอเรสและเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์

Mechanisms

ไรโบโซมประกอบด้วยหน่วยย่อยขนาดเล็ก ซึ่งจับกับเอ็มอาร์เอ็นเอและตรวจสอบการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอนในศูนย์ถอดรหัส และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ ซึ่งมีศูนย์เพปทิดิลทรานสเฟอเรสและอุโมงค์ที่สายโซ่ที่กำลังสร้างจะเคลื่อนที่ออกไป ทีอาร์เอ็นเอจะเข้าจับในสามตำแหน่ง ได้แก่ ตำแหน่งอะมิโนเอซิล (A), เพปทิดิล (P) และทางออก (E) ซึ่งครอบคลุมทั้งสองหน่วยย่อย และเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งเหล่านี้เมื่อไรโบโซมมีการยืดตัวและเคลื่อนย้าย โครงสร้างความละเอียดสูงของหน่วยย่อยของแบคทีเรียและไรโบโซมที่สมบูรณ์ และต่อมาของไรโบโซมของยูคาริโอต ได้เผยให้เห็นว่าอาร์เอ็นเอของไรโบโซมเป็นองค์ประกอบหลักของทั้งศูนย์ถอดรหัสและศูนย์เร่งปฏิกิริยา ทำให้ไรโบโซมเป็นเครื่องจักรที่ใช้อาร์เอ็นเอเป็นหลัก โครงสร้างเหล่านี้หลายโครงสร้างยังแสดงตำแหน่งที่ยาปฏิชีวนะเข้าจับ ไรโบโซมหลายตัวสามารถแปลรหัสเอ็มอาร์เอ็นเอหนึ่งสายพร้อมกันได้ ทำให้เกิดเป็นโพลีโซม (polysomes)

Clinical relevance

เนื่องจากยาปฏิชีวนะที่มีความสำคัญทางคลินิกจำนวนมากเข้าจับและยับยั้งไรโบโซมของแบคทีเรีย และเนื่องจากความบกพร่องในการสร้างไรโบโซมเป็นสาเหตุของกลุ่มความผิดปกติที่เรียกว่าไรโบโซโมพาธี (ribosomopathies) โครงสร้างของไรโบโซมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเภสัชวิทยาของยาต้านจุลชีพและโรคบางชนิด ข้อมูลนี้อธิบายโครงสร้างและหน้าที่ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ภาพรวมโครงสร้างที่สรุปไว้ในที่นี้อาศัยการศึกษาด้วยเทคนิคการตกผลึกด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray crystallographic) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอ (cryo-electron microscopy) ของไรโบโซมของแบคทีเรียและยูคาริโอต ซึ่งได้รับการรวบรวมในเอกสารทบทวนหลัก

History

ไรโบโซมถูกระบุว่าเป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีนในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 แต่สถาปัตยกรรมโดยละเอียดของมันเพิ่งปรากฏขึ้นประมาณปี 2000 เมื่อมีการไขโครงสร้างผลึกของหน่วยย่อยขนาดใหญ่และขนาดเล็กของแบคทีเรีย และต่อมาของไรโบโซม 70S ที่สมบูรณ์พร้อมกับ mRNA และ tRNA ไรโบโซมของยูคาริโอตได้รับการแก้ไขด้วยความละเอียดสูงในปี 2011 และความก้าวหน้าในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอได้บันทึกภาพไรโบโซมในหลายสถานะการทำงานตั้งแต่นั้นมา

Key figures

• Thomas Steitz
• V. Ramakrishnan
• Ada Yonath
• Marat Yusupov
• Joachim Frank

Seminal works

• nissen-2000
• carter-2000
• selmer-2006
• ben-shem-2011

Frequently asked questions

ไรโบโซมประกอบด้วยอะไรบ้าง?

ไรโบโซมสร้างขึ้นจากอาร์เอ็นเอของไรโบโซมและโปรตีนของไรโบโซมหลายชนิดที่จัดเรียงตัวเป็นสองหน่วยย่อย โดยอาร์เอ็นเอเป็นองค์ประกอบหลักของทั้งศูนย์ถอดรหัสและศูนย์เพปทิดิลทรานสเฟอเรสที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยา

เหตุใดยาปฏิชีวนะหลายชนิดจึงมุ่งเป้าไปที่ไรโบโซม?

ไรโบโซมของแบคทีเรียมีความแตกต่างจากไรโบโซมของมนุษย์มากพอที่ยาจะสามารถจับกับตำแหน่งการทำงานบนไรโบโซมของแบคทีเรียและยับยั้งการสังเคราะห์โปรตีนได้อย่างจำเพาะเจาะจง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมไรโบโซมจึงเป็นเป้าหมายหลักของยาปฏิชีวนะ