Понастоящем големите търговци на дребно имат "центрове за изпълнение", за да се справят с огромния обем онлайн поръчки, които получават от цял свят. Тук, в тези структури, подобни на склад, отделните продукти се проследяват, пакетират и експедират до милиони дестинации възможно най-ефективно. Малки структури, наречени рибозоми, всъщност са центровете за изпълнение на клетъчния свят, получавайки поръчки за безброй протеинови продукти от пратеник рибонуклеинова киселина (иРНК) и бързо и ефективно да сглобите тези продукти и да отидете там, където са необходими.
Обикновено рибозомите се считат за органели, въпреки че пуристите от молекулярната биология понякога посочват, че се намират в прокариоти (повечето от които са бактерии), както и еукариоти и им липсва мембрана, която да ги отделя от вътрешността на клетката, две черти, които биха могли да бъдат дисквалифициращ. Във всеки случай, както прокариотните клетки, така и еукариотните клетки притежават рибозоми, структурата и функцията на които са сред по-завладяващи уроци по биохимия, поради това колко основни понятия са присъствието и поведението на рибозомите Долна черта.
От какво са направени рибозомите?
Рибозомите се състоят от около 60 процента протеин и около 40 процента рибозомна РНК (rRNA). Това е интересна връзка, като се има предвид, че тип РНК (пратеник РНК или тРНК) е необходим за синтеза на протеини или транслацията. Така че в известен смисъл рибозомите са като десерт, състоящ се както от немодифицирани какаови зърна, така и от рафиниран шоколад.
РНК е един от двата вида нуклеинови киселини, открити в света на живите същества, другият е дезоксирибонуклеинова киселина или ДНК. ДНК е по-известната от двете, често се споменава не само в масовите научни статии, но и в криминални истории. Но РНК всъщност е по-гъвкавата молекула.
Нуклеиновите киселини са изградени от мономери или отделни звена, които функционират като самостоятелни молекули. Гликогенът е полимер на мономерите на глюкозата, протеините са полимери на аминокиселинните мономери, а нуклеотидите са мономерите, от които се произвеждат ДНК и РНК. Нуклеотидите от своя страна се състоят от пет-пръстенна захарна част, фосфатна част и азотна основна част. В ДНК захарта е дезоксирибоза, докато в РНК това е рибоза; те се различават само по това, че РНК има -OH (хидроксилна) група, където ДНК има -H (протон), но последиците за впечатляващия набор от функционални възможности на РНК са значителни. Освен това, докато азотната основа както в ДНК нуклеотид, така и в РНК нуклеотид е един от четирите възможни типа, тези типовете в ДНК са аденин, цитозин, гуанин и тимин (A, C, G, T), докато в РНК урацилът е заместен с тимин (A, C, G, U). И накрая, ДНК почти винаги е двуверижна, докато РНК е едноверижна. Именно тази разлика от РНК може би допринася най-много за гъвкавостта на РНК.
Трите основни типа РНК са гореспоменатите иРНК и рРНК заедно с трансферна РНК (тРНК). Докато близо половината от масата на рибозомите е рРНК, иРНК и тРНК се радват на интимни и незаменими взаимоотношения както с рибозомите, така и помежду си.
В еукариотните организми рибозомите се намират най-вече прикрепени към ендоплазмения ретикулум, мрежа от мембранни структури, най-добре оприличени на магистрала или железопътна система за клетки. Някои еукариотни рибозоми и всички прокариотни рибозоми се намират свободни в цитоплазмата на клетката. Отделните клетки могат да имат от хиляди до милиони рибозоми; както можете да очаквате, клетките, които произвеждат много протеинови продукти (напр. клетки на панкреаса) имат по-висока плътност на рибозомите.
Структурата на рибозомите
При прокариотите рибозомите включват три отделни молекули рРНК, докато при еукариотите рибозомите включват четири отделни молекули рРНК. Рибозомите се състоят от голяма и малка субединица. В началото на 21 век е картографирана пълната триизмерна структура на субединиците. Въз основа на тези доказателства, рРНК, а не протеини, осигурява на рибозомата нейната основна форма и функция; биолозите отдавна подозираха толкова много. Протеините в рибозомите помагат предимно да запълнят структурните пропуски и да подобрят основната работа на рибозомата - синтеза на протеини. Синтезът на протеини може да се осъществи без тези протеини, но го прави с много по-бавни темпове.
Фактическите масови единици на рибозомите са техните стойности на Svedberg (S), които се основават на това колко бързо субединиците се утаяват на дъното на епруветките под центростремителната сила на центрофугата. Рибозомите на еукариотните клетки обикновено имат стойности на Svedberg от 80S и се състоят от 40 и 60 субединици. (имайте предвид, че S мерките явно не са действителни маси; в противен случай математиката тук няма да има смисъл.) За разлика от това, прокариотните клетки съдържат рибозоми, достигащи 70S, разделени на 30S и 50S субединици.
Както протеините, така и нуклеиновите киселини, всяка от които са направени от сходни, но не идентични мономерни единици, имат първична, вторична и третична структура. Основната структура на РНК е подреждането на отделните нуклеотиди, което от своя страна зависи от техните азотни основи. Например буквите AUCGGCAUGC описват десетнуклеотиден низ от нуклеинова киселина (наречен "полинуклеотид", когато е толкова кратък) с основи аденин, урацил, цитозин и гуанин. Вторичната структура на РНК описва как струната приема огъвания и прегъвания в една равнина благодарение на електрохимичните взаимодействия между нуклеотидите. Ако поставите низ от мъниста на маса и веригата, която се присъединява към тях, не е права, ще разгледате вторичната структура на мънистата. И накрая, третичната стриктура се отнася до това как цялата молекула се подрежда в триизмерно пространство. Продължавайки с примера с мъниста, можете да го вземете от масата и да го компресирате във формата на топка в ръката си или дори да го сгънете във форма на лодка.
Изкопаване по-дълбоко в рибозомен състав
Много преди съвременните лабораторни методи днес да станат достъпни, биохимиците успяха да правят прогнози за вторичната структура на rRNA въз основа на известната първична последователност и електрохимичните свойства на индивида бази. Например, склонен ли е А да се сдвоява с U, ако се формира изгодно изкривяване и ги доведе в непосредствена близост? В началото на 2000-те години кристалографският анализ потвърждава много от идеите на ранните изследователи за формата на рРНК, помагайки да се хвърли допълнителна светлина върху нейната функция. Например, кристалографските проучвания демонстрират, че rRNA участва както в протеиновия синтез, така и предлага структурна подкрепа, подобно на протеиновия компонент на рибозомите. rRNA съставлява по-голямата част от молекулярната платформа, на която се осъществява транслацията и има каталитична активност, което означава, че rRNA участва директно в синтеза на протеини. Това е довело до това, че някои учени използват термина "рибозим" (т.е. "рибозомен ензим") вместо "рибозома", за да опишат структурата.
Д. коли бактериите предлагат пример за това колко много учени са успели да научат за прокариотната рибозомна структура. Голямата субединица или LSU на Д. коли рибозомата се състои от различни 5S и 23S рРНК единици и 33 протеина, наречени r-протеини за „рибсомални“. Малката субединица, или SSU, включва една 16S рРНК част и 21 r-протеини. Грубо казано, тогава SSU е около две трети от размера на LSU. В допълнение, rRNA на LSU включва седем домена, докато rRNA на SSU може да бъде разделена на четири домена.
RRNA на еукариотните рибозоми има около 1000 повече нуклеотиди, отколкото rRNA на прокариотните рибозоми - около 5500 vs. 4,500. Докато Д. коли рибозомите имат 54 r-протеини между LSU (33) и SSU (21), еукариотните рибозоми имат 80 r-протеини. Еукариотната рибозома включва също сегменти за разширяване на рРНК, които играят както структурна, така и роля на синтез на протеини.
Функция Ribosome: Превод
Работата на рибозомата е да направи цялата гама протеини, необходими на организма, от ензими до хормони до части от клетки и мускули. Този процес се нарича транслация и това е третата част от централната догма на молекулярната биология: ДНК към иРНК (транскрипция) към протеин (транслация).
Причината това да се нарича транслация е, че рибозомите, оставени сами на себе си, нямат независим начин да го направят „знаят“ какви протеини да произвеждат и колко, въпреки че разполагат с всички суровини, оборудването и работната сила задължително. Връщайки се към аналогията на "центъра за изпълнение", представете си няколко хиляди работници, които пълнят пътеките и станциите на един от тези огромни места, оглеждайки играчки и книги и спортни стоки, но не получавайки посока от Интернет (или от където и да е другаде) за какво да направя. Нищо не би се случило или поне нищо продуктивно за бизнеса.
Тогава се превеждат инструкциите, кодирани в иРНК, която от своя страна получава кода от ДНК в клетъчното ядро (ако организмът е еукариот; на прокариотите липсват ядра). В процеса на транскрипция, иРНК се прави от ДНК шаблон, като нуклеотидите се добавят към растяща иРНК верига, съответстваща на нуклеотидите на матричната ДНК верига на нивото на базово сдвояване. A в ДНК генерира U в РНК, C генерира G, G генерира C и T генерира A. Тъй като тези нуклеотиди се появяват в линейна последователност, те могат да бъдат включени в групи от две, три, десет или произволно число. Както се случва, група от три нуклеотида на иРНК молекула се нарича кодон или "триплет кодон" за специфични цели. Всеки кодон носи инструкциите за една от 20 аминокиселини, за които ще си спомните, че са градивните елементи на протеините. Например AUG, CCG и CGA са кодони и носят инструкциите за получаване на специфична аминокиселина. Има 64 различни кодона (4 основи, издигнати до степен, равна на 64), но само 20 аминокиселини; в резултат на това повечето аминокиселини са кодирани от повече от един триплет, а няколко аминокиселини са определени от шест различни триплет кодони.
Синтезът на протеини изисква още един вид РНК, тРНК. Този тип РНК физически пренася аминокиселините в рибозомата. Рибозомата има три съседни места за свързване на тРНК, като персонализирани места за паркиране. Единият е аминоацил свързващо място, което е за молекулата на тРНК, прикрепена към следващата аминокиселина в протеина, т.е. входящата аминокиселина. Вторият е пептидил свързващо място, където се прикрепва централната тРНК молекула, съдържаща нарастващата пептидна верига. Третото и последно е изход свързващо място, където се използват, празни молекули на тРНК се освобождават от рибозомата.
След като аминокиселините се полимеризират и се образува протеинов гръбнак, рибозомата освобождава протеина, който след това се пренася в прокариоти в цитоплазмата и в еукариоти в телата на Голджи. След това протеините се обработват напълно и се освобождават, или вътре, или извън клетката, тъй като всички рибозоми произвеждат протеини както за местна, така и за далечна употреба. Рибозомите са много ефективни; единичен в еукариотна клетка може да добавя две аминокиселини към нарастващата протеинова верига всяка секунда. При прокариотите рибозомите работят с почти неистови темпове, добавяйки 20 аминокиселини към полипептид всяка секунда.
Бележка под линия за еволюция: При еукариотите рибозомите, освен че се намират в гореспоменатите петна, могат да бъдат намерени и в митохондриите при животните и хлоропластите на растенията. Тези рибозоми са много различни по размер и състав от другите рибозоми, открити в тези клетки, и се вслушват в прокариотните рибозоми на бактериални и синьо-зелени водорасли. Това се счита за достатъчно сериозно доказателство, че митохондриите и хлоропластите са еволюирали от прокариотите на предците.