Het wonderlijke ribosoom

Vanmorgen was er een lezing van Ada Yonath aan de Universiteit van Padua. Zij ontving in 2009 de Nobelprijs voor Scheikunde voor haar onderzoek op het ribosoom. Haar groep bestudeerde met kristallografie de structuur van het ribosoom en ontdekte veel nieuws over de symmetrie ervan en over de gevoeligheid voor antibiotica.

 

Van internet: in de celkern vindt transcriptie plaats met vorming van mRNA. Dit migreert naar het cytoplasma waar het mRNA vertaald wordt door de ribosomen (lichtblauwe bollen langs het mRNA). De tRNA met hun anti-codon en aminozuur plaatsen zich in het ribosoom waar het aminozuur verbonden wordt met de groeiende peptide.

Het DNA bevat de genetische informatie die tijdens de transcriptie omgezet wordt in RNA (mRNA ofwel messenger RNA). Het RNA wordt door de ribosomen vertaald in eiwitten. De eiwitten vouwen zich en worden dan functioneel; ze voeren alle chemische reacties uit die de cel nodig heeft (enzymen) of vormen structurele elementen, hormonen of receptoren.

Het ribosoom zelf bestaat ook uit RNA en een aantal eiwitten.

RNA is het belangrijkste onderdeel van het ribosoom. De eiwitten die er ook deel van uitmaken hebben vaak een stabiliserende functie. Sommige eiwitten zijn sterk geconserveerd wat aangeeft dat hun functie erg belangrijk is voor de activiteit van het ribosoom. Maar het ribosomale RNA heeft op zichzelf een catalyserende functie en kan zonder hulp van deze eiwitten functioneren. Dit wordt het ribozyme genoemd. Eiwitten kunnen alleen door RNA gemaakt worden; niet door andere eiwitten.

 

De studies van Yonath en haar medewerkers laten precies zien wat de fijne structuur van het ribosoom is. Ze konden aantonen dat het ribosoom een symmetrische kern heeft. Deze kern van RNA is sterk geconserveerd en komt voor 98% overeen in alle levensvormen. Dit betekent dat deze kern een bijzonder essentiële functie heeft. Ze veronderstellen dat deze actieve site van het ribosoom door genfusie van twee gescheiden maar vergelijkbare domeinen tot stand is gekomen, waarbij elk voor de helft van de catalytische activiteit zorgde. Deze sterke conservatie geldt niet de sequentie van het RNA in deze vitale symmetrische kern, maar de driedimensionale structuur. Dit wijst erop hoe belangrijk de positie van de substraten is in de stereochemie bij de vorming van peptidebindingen.

 

Ook Yonath veronderstelt dat er ooit een RNA-wereld bestond waarin het ribozyme het eerste ‘enzyme’ was. Zij stelt wel de vraag waarom het RNA ooit begonnen is met het produceren van eiwitten.

De eiwitten die zich later bij het ribozyme voegden verhoogden er de efficiëntie en de nauwkeurigheid van. Huidige ribosomen maken 1 fout op een miljoen.

 

Hun studie heeft ook veel aan het licht gebracht over rotatie en antibiotica.

De rotatie van het tRNA (het transfer RNA dat aminozuren aanvoert die één voor één gekoppeld worden aan de peptide) binnen het ribosoom is belangrijk voor de stereochemische vorming van de peptidebinding.

Antibiotica binden aan de ribosomen van bacteriën. De ribosomen van hogere organismen hebben een andere structuur en zijn ongevoelig voor antibiotica. Door de binding van het ribosoom met antibiotica wordt de vertaling van het mRNA ofwel de eiwit-synthese stopgezet en de bacteriën sterven. Ze konden waarnemen waar de verschillende antibiotica zich precies vasthechtten en hoe ze de synthese verstoorden.

 

Ada Yonath liet ons ook het volgende filmpje zien dat gelukkig op youtube terug te vinden was. Er is een lang molecuul van mRNA te zien dat door de twee subuniteiten van het ribosoom vertaald wordt. Er wordt ingezoomd op de tRNA die met hun aminozuren het ribosoom binnenkomen, hun aminozuur afleveren en zonder aminozuur uitgestoten worden.

 

 

 

Meer informatie en prachtige afbeeldingen zijn te vinden op de website van Ada Yonath.

 

 

De spontane vorming van nucleotiden

Binnen de wetenschappelijke discussie over het ontstaan van het leven op Aarde is een doorbraak gerealiseerd die donderdag 14 mei 2009 gepubliceerd werd in Nature (zoek op de website naar ‘Sutherland’ en ‘pyrimidine’). In dit artikel wordt voor het eerst aangetoond dat nucleotiden, de bouwstenen van DNA en RNA, spontaan kunnen onstaan in een chemische reactie die theoretisch plaats heeft kunnen vinden in de prebiotische oersoep. Tot dusver kon men nooit verklaren hoe de verschillende onderdelen van een nucleotide konden reageren om dit nucleotide te vormen.

Om het ontstaan van het leven op Aarde te verklaren stelden Urey en Miller in 1953 een oersoep samen waarmee ze aantoonden dat aminozuren, de bouwstenen van eiwitten ofwel proteinen, spontaan kunnen vormen onder de juiste omstandigheden. Lees hierover ook het interessante blog van Qabouter.

Eiwitten zijn essentieel voor alle vormen van leven en zijn zeker van essentieel belang gedurende de eerste fasen van het ontstaan van het leven, maar ze kunnen, in tegenstelling tot DNA en RNA, geen (genetische) informatie vasthouden. Voor het verklaren van het ontstaan van het leven zijn moleculen nodig die deze informatie wel kunnen vasthouden en als gevolg van replicatie deze informatie ook kunnen doorgeven aan volgende generaties moleculen of cellen. DNA is zo een molecuul, maar RNA is voorlopig de beste kandidaat omdat deze polymeer zowel genetische informatie kan vasthouden, met knip- en plakwerk zichzelf kan modificeren èn aminozuren aaneen kan koppelen tot eiwitten. In dit laatste geval noemt men het RNA ook wel ribozyme. Lees ook het voorgaande blog Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld.

De wetenschap veronderstelt dat het leven ooit ontstaan is uit het RNA. Dit wordt de ‘RNA-wereld hypothese’ genoemd. Deze hypothese wordt breed ondersteund (zie ook voorgaand blog De oorsprong van het leven: lezing), maar tot nu toe was het niet mogelijk aan te tonen hoe dit RNA spontaan kon ontstaan.

RNA

RNA bestaat, net als DNA, uit een aaneenschakeling van vele nucleotiden waarvan er vier verschillende zijn die door hun volgorde de genetische code bepalen. Elke nucleotide is opgebouwd uit een base (purine of pyrimidine), een ribose (suiker) en een fosfaatgroep. Het was tot nu toe niet mogelijk een chemische reactie te creëren waarin het suiker en de base aan elkaar gekoppeld konden worden. Er zou een explosie kunnen ontstaan. Bovendien was het ook niet duidelijk hoe deze onderdelen konden ontstaan in een oersoep. De onderzoekers gebruikten in dit nieuwe onderzoek als uitgangspunt een molecuul (arabinose amino-oxazoline) waaruit zowel het suiker als de base konden ontstaan en daarbij meteen aan elkaar gekoppeld waren. Het fosfaat, dat pas in tweede instantie onderdeel wordt van de nucleotide, werd vanaf het begin aan de chemische oplossing toegevoegd en bleek een belangrijke rol te hebben voor de regeling van het pH en in de catalyse van de verschillende reacties.

De basisingredienten voor de chemische reactie waren cyaanamide, cyanoacetylene (komt voor in interstellaire moleculenwolken en was een van de stoffen die gevormd werden in de oersoep van Urey and Miller), glyceraldehyde en anorganisch fosfaat. De ribonucleotiden vormden zich na indamping en bestraling met UV-licht; condities die uitstekend passen bij de toestand van de prebiotische aarde.

Tot nu toe is het gelukt alleen de ribonucleotiden van pyrimidines te creëren (Cytosine, Thymine en Uracil). De onderzoekers zullen nu proberen ook de ribonucleotiden van purines (Adenine en Guanine) te verkrijgen.

De ontdekking is heel belangrijk en er is veel over gepubliceerd in de kranten en vakbladen. Hier volgen wat links naar de verschillende artikelen.

Nature (zoek op de website naar ‘Sutherland’ en ‘pyrimidine’)
Kennislink (zoek op de website naar ‘RNA kan spontaan ontstaan’)
Noorderlicht (zoek op de website naar ‘Hoe het leven op aarde ontstond’)
NRC (zoek op de website naar ‘John Sutherland’ en ‘RNA’)

Vanwege copyright en publiciteit op deze sites kunnen de betreffende artikelen niet direct gelinkt worden.