La optimización para la autoproducción puede explicar las características clave de los ribosomas, las fábricas de producción de proteínas de la célula, informaron investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard en Naturaleza el 20 de julio
En un nuevo estudio, un equipo dirigido por Johan Paulsson, profesor de biología de sistemas en la Facultad de Medicina de Harvard, demostró matemáticamente que los ribosomas están estructurados con precisión para producir ribosomas adicionales lo más rápido posible, a fin de apoyar el crecimiento y la división celular eficiente.
Las predicciones teóricas del estudio reflejan con precisión las características observadas a gran escala de los ribosomas, revelando por qué están hechas de una cantidad inusualmente grande de proteínas pequeñas y de tamaño uniforme y algunas cadenas de ARN que varían mucho en tamaño, y proporcionan una perspectiva sobreLa evolución de una máquina molecular excepcional.
"El ribosoma es uno de los complejos moleculares más importantes en toda la vida, y ha sido estudiado en disciplinas científicas durante décadas", dijo Paulsson. "Siempre me sorprendió el hecho de que parecía que podíamos explicar sus detalles más finos"., pero los ribosomas tienen estas características extrañas que a menudo no se han abordado, o si es así de una manera insatisfactoria ".
Cada célula viva, ya sea una sola bacteria o una neurona humana, es un sistema biológico tan dinámico y complejo como cualquier ciudad. Dentro de las células hay paredes, carreteras, plantas de energía, bibliotecas, centros de reciclaje y mucho más, todos trabajando juntos enal unísono para asegurar la continuación de la vida.
La gran mayoría de estas innumerables estructuras están hechas y hechas por proteínas. Y esas proteínas están hechas por ribosomas.
características misteriosas
Aunque los científicos han desbloqueado cómo los ribosomas convierten la información genética en proteínas a resolución atómica, revelando una máquina molecular finamente ajustada para precisión, velocidad y control, no ha quedado claro qué ventajas tiene varias de sus características a gran escala.
Los ribosomas están compuestos por una cantidad asombrosamente grande de diferentes proteínas estructurales, en cualquier lugar de 55 a 80, dependiendo del tipo de organismo. Estas proteínas no solo son más numerosas de lo esperado, son inusualmente cortas y uniformes en longitud. Los ribosomas también están compuestosde dos a tres cadenas de ARN, que representan hasta el 70 por ciento de la masa total del ribosoma.
"Sin comprender por qué existen las características colectivas, es un poco como mirar un bosque y comprender cómo funcionan los cloroplastos y la fotosíntesis, y no poder explicar por qué hay árboles en lugar de hierba", dijo Paulsson.
Entonces Paulsson y sus colaboradores Shlomi Reuveni, un becario postdoctoral del HMS, y Måns Ehrenberg de la Universidad de Uppsala en Suecia, decidieron mirar el ribosoma con una luz diferente.
"Nuestro avance se produjo alejándonos de lo atómico y mirando el ribosoma desde una nueva perspectiva", dijo Reuveni. "No pensamos en el ribosoma como una máquina que produce proteínas, sino más bien como el producto de la proteínaproceso de producción."
Bosque para los árboles
Para que una célula se divida, debe tener dos juegos completos de ribosomas para producir todas las proteínas que necesitan las células hijas. La velocidad a la que los ribosomas pueden formarse, por lo tanto, establece un límite estricto sobre la rapidez de la división celular. Paulssony sus colegas idearon modelos matemáticos teóricos sobre cómo deberían ser las características del ribosoma si la velocidad fuera la presión selectiva primaria que impulsó su evolución.
El equipo calculó que distribuir la tarea de hacer un nuevo ribosoma entre muchos ribosomas, cada uno de los cuales forma una pequeña parte del producto final, puede aumentar la tasa de producción hasta en un 30 por ciento, ya que cada nuevo ribosoma ayuda a producir másribosomas tan pronto como se crean, acelerando el proceso.
Esto representa una enorme ventaja para las células que necesitan dividirse rápidamente, como las bacterias. Sin embargo, el proceso de producción de proteínas requiere tiempo para iniciarse, y este costo general limita la cantidad de proteínas de las que puede estar hecho un ribosoma, de acuerdo conmatemáticas.
Los modelos del equipo predijeron que, para una máxima eficacia de autoproducción, un ribosoma debería estar formado por entre 40 y 80 proteínas. Cada una de estas proteínas debería ser aproximadamente tres veces más pequeña que una proteína celular promedio, y todas deberían ser aproximadamente similaresen tamaño.
Resulta que la teoría de los investigadores, desarrollada de forma completamente independiente del laboratorio, refleja con precisión la composición proteica observada del ribosoma.
"Una analogía para nuestros hallazgos sería pensar en los ribosomas no como un grupo de carpinteros que simplemente construyen muchas casas, sino como carpinteros que también construyen otros carpinteros", dijo Paulsson. "Entonces hay un incentivo para dividir eltrabaje en muchas piezas pequeñas que se pueden hacer en paralelo para ensamblar más rápidamente otro carpintero completo para ayudar en el proceso ".
Teoría y realidad
Paulsson y sus colegas también examinaron el ARN ribosómico, que actúa como un componente estructural y lleva a cabo la actividad enzimática del ribosoma de unir aminoácidos en proteínas.
Su análisis mostró que, cuanto más ARN está formado por un ribosoma, más rápido se puede producir. Esto se debe a que las células pueden producir ARN ribosómico mucho más rápido que la proteína. Por lo tanto, aunque se cree que las enzimas de ARN son menos eficientes que la proteínaenzimas, los ribosomas tienen una enorme presión para usar la mayor cantidad de ARN posible para maximizar la velocidad a la que se pueden producir más ribosomas.
"Cualquier lugar en el que el ribosoma pueda escapar usando ARN, debería usarlo porque la velocidad de autoproducción puede duplicarse o triplicarse", dijo Paulsson. "Incluso si el ARN fuera inferior en comparación con la proteína para la función enzimática, todavía hayuna gran ventaja de usar ARN si una célula está tratando de producir ribosomas lo más rápido posible "
Según el equipo, se predijo que esta observación se mantendría principalmente para los ribosomas autoproductores. La mayoría de las otras estructuras en la célula no se autoproducen y pueden sacrificar la velocidad de producción por la estabilidad y la eficacia proporcionadas al usar proteínas en lugar de ARN.
En conjunto, la teoría del equipo predice con precisión las características a gran escala del ribosoma que se ven a través de los dominios de la vida. Explica por qué los organismos de crecimiento más rápido, como las bacterias, tienen las proteínas ribosómicas más cortas y las mayores cantidades de ARN ribosómico.En el extremo opuesto del espectro están las mitocondrias, las plantas de energía de las células eucariotas, que se cree que alguna vez fueron bacterias que entraron en un estado simbiótico permanente. Las mitocondrias tienen sus propios ribosomas que no se producen. Sin esta presión, los ribosomas mitocondrialesestán hechos de proteínas más grandes y mucho menos ARN que los ribosomas celulares.
"Cuando comenzamos este proyecto, no teníamos una larga lista de características que intentamos explicar a través de la teoría", dijo Reuveni. "Comenzamos con la teoría y surgieron ciertas características. Cuando miramos los datos para compararcon lo que predijeron nuestras matemáticas, encontramos en la mayoría de los casos que coincidían con lo que se ve en la naturaleza "
En lugar de ser simples reliquias de un pasado evolutivo, las características inusuales de los ribosomas parecen reflejar una capa adicional de optimización funcional que actúa sobre las propiedades colectivas de sus partes, escribe el equipo.
"Si bien este estudio es ciencia básica, estamos abordando algo que es compartido por toda la vida", dijo Paulsson. "Es importante que comprendamos de dónde provienen las restricciones en la estructura y la función, porque como gran parte de la ciencia básica,es impredecible cuáles pueden ser las consecuencias del nuevo conocimiento en el futuro "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Medicina de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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