Velcí maloobchodníci dnes mají „centra plnění“, která vyřizují naprostý objem online objednávek, které dostávají z celého světa. Tady, v těchto skladištních strukturách, jsou jednotlivé produkty sledovány, baleny a přepravovány do milionů destinací co nejúčinněji. Drobné struktury zvané ribozomy jsou ve skutečnosti centry naplnění buněčného světa, kde přijímají objednávky na nespočet proteinových produktů messenger ribonukleová kyselina (mRNA) a rychle a efektivně připravit tyto produkty na cestu tam, kde jsou potřeba.
Ribozomy jsou obecně považovány za organely, ačkoli puristé molekulární biologie někdy poukazují na to, že se nacházejí v prokaryotech (většina z nichž jsou bakterie) a také eukaryoty a chybí jim membrána oddělující je od vnitřku buňky, dva znaky, které by mohly být diskvalifikující. V každém případě prokaryotické buňky i eukaryotické buňky mají ribozomy, jejichž struktura a funkce patří mezi více fascinujících lekcí v biochemii, vzhledem k tomu, kolik základních konceptů přítomnost a chování ribozomů podtržítko.
Z čeho jsou ribozomy vyrobeny?
Ribozomy se skládají z asi 60 procent bílkovin a asi 40 procent ribozomální RNA (rRNA). Jedná se o zajímavý vztah vzhledem k tomu, že pro syntézu nebo translaci proteinu je vyžadován typ RNA (messenger RNA nebo mRNA). Ribosomy jsou tedy svým způsobem jako dezert skládající se jak z nemodifikovaných kakaových bobů, tak z rafinované čokolády.
RNA je jedním ze dvou typů nukleových kyselin vyskytujících se ve světě živých věcí, druhým je kyselina deoxyribonukleová nebo DNA. DNA je z těch dvou nejznámější a často se zmiňuje nejen v běžných vědeckých článcích, ale také v kriminálních příbězích. Ale RNA je ve skutečnosti univerzálnější molekula.
Nukleové kyseliny jsou tvořeny monomery nebo odlišnými jednotkami, které fungují jako samostatné molekuly. Glykogen je polymer glukózových monomerů, proteiny jsou polymery aminokyselinových monomerů a nukleotidy jsou monomery, ze kterých se vyrábí DNA a RNA. Nukleotidy se zase skládají z pětikroužkové cukrové části, fosfátové části a dusíkaté bazické části. V DNA je cukr deoxyribóza, zatímco v RNA je to ribóza; ty se liší pouze v tom, že RNA má -OH (hydroxylovou) skupinu, kde DNA má -H (proton), ale důsledky pro působivou řadu funkcí RNA jsou značné. Navíc, zatímco dusíkatá báze v nukleotidu DNA i nukleotidu RNA je jedním ze čtyř možných typů, tyto typy v DNA jsou adenin, cytosin, guanin a tymin (A, C, G, T), zatímco v RNA je uracil nahrazen tyminem (A, C, G, U). Nakonec je DNA téměř vždy dvouvláknová, zatímco RNA je jednořetězcová. Právě tento rozdíl od RNA možná nejvíce přispívá k univerzálnosti RNA.
Tři hlavní typy RNA jsou výše uvedené mRNA a rRNA spolu s přenosovou RNA (tRNA). Zatímco téměř polovina hmotnosti ribozomů je rRNA, mRNA a tRNA mají intimní a nepostradatelné vztahy s oběma ribozomy.
V eukaryotických organismech se ribozomy většinou nacházejí připojené k endoplazmatickému retikulu, síti membránových struktur, které se nejlépe přirovnávají k dálničnímu nebo železničnímu systému pro buňky. Některé eukaryotické ribozomy a všechny prokaryotické ribozomy se nacházejí volně v cytoplazmě buňky. Jednotlivé buňky mohou mít tisíce až miliony ribozomů; jak můžete očekávat, buňky, které produkují mnoho proteinových produktů (např. buňky pankreatu), mají vyšší hustotu ribozomů.
Struktura ribozomů
V prokaryotech zahrnují ribozomy tři oddělené molekuly rRNA, zatímco v eukaryotech ribozomy zahrnují čtyři oddělené molekuly rRNA. Ribozomy se skládají z velké podjednotky a malé podjednotky. Na začátku 21. století byla zmapována kompletní trojrozměrná struktura podjednotek. Na základě tohoto důkazu poskytuje rRNA, nikoli proteiny, ribozomu v jeho základní formě a funkci; biologové to už dlouho tušili. Proteiny v ribozomech primárně pomáhají vyplňovat strukturální mezery a zvyšují hlavní úlohu ribozomu - syntézu proteinů. Syntéza bílkovin může nastat bez těchto proteinů, ale činí to mnohem pomalejším tempem.
De facto hmotnostní jednotky ribozomů jsou jejich hodnoty Svedberg (S), které jsou založeny na tom, jak rychle se podjednotky usazují na dně zkumavek pod dostředivou silou odstředivky. Ribozomy eukaryotických buněk mají obvykle hodnoty Svedberg 80S a skládají se z podjednotek 40s a 60s. (všimněte si, že jednotky S zjevně nejsou skutečné hmotnosti; jinak by matematika neměla smysl.) Naproti tomu prokaryotické buňky obsahují ribozomy dosahující 70S, rozdělené na 30S a 50S podjednotky.
Jak proteiny, tak nukleové kyseliny, z nichž každá je vyrobena z podobných, ale ne identických monomerních jednotek, mají primární, sekundární a terciární strukturu. Primární strukturou RNA je její uspořádání jednotlivých nukleotidů, což závisí na jejich dusíkatých bázích. Například písmena AUCGGCAUGC popisují deset nukleotidový řetězec nukleové kyseliny (nazývaný „polynukleotid“, pokud je tak krátký) s bázemi adenin, uracil, cytosin a guanin. Sekundární struktura RNA popisuje, jak řetězec předpokládá ohýbání a zalomení v jedné rovině díky elektrochemickým interakcím mezi nukleotidy. Pokud byste položili řetězec korálků na stůl a řetěz, který by je spojoval, nebyl rovný, dívali byste se na sekundární strukturu korálků. Nakonec terciární striktura odkazuje na to, jak se celá molekula uspořádá v trojrozměrném prostoru. Pokračováním příkladu korálků jej můžete zvednout ze stolu a v ruce jej zkomprimovat do podoby koule, nebo jej dokonce složit do tvaru lodi.
Kopat hlouběji do ribozomálního složení
Ještě předtím, než byly k dispozici pokročilé laboratorní metody dneška, byli biochemici schopni předpovědět sekundární struktura rRNA založená na známé primární sekvenci a elektrochemických vlastnostech jedince základny. Bylo například A nakloněno spárovat se s U, pokud se vytvořil výhodný zlom a přivedl je do těsné blízkosti? Na počátku dvacátých let krystalografická analýza potvrdila mnoho nápadů raných vědců o formě rRNA a pomohla vnést další světlo do její funkce. Například krystalografické studie prokázaly, že rRNA se účastní syntézy proteinů a nabízí strukturální podporu, podobně jako proteinová složka ribozomů. rRNA tvoří většinu molekulární platformy, na které dochází k translaci, a má katalytickou aktivitu, což znamená, že rRNA se přímo účastní syntézy proteinů. To vedlo k tomu, že někteří vědci používají k popisu struktury termín „ribozym“ (tj. „Ribozomový enzym“) namísto „ribozomu“.
E. coli bakterie nabízejí příklad toho, jak moc se vědci mohli dozvědět o prokaryotní ribozomální struktuře. Velká podjednotka nebo LSU E. coli ribosom se skládá z odlišných 5R a 23S rRNA jednotek a 33 proteinů, které se nazývají r-proteiny pro „ribsomální“. Malá podjednotka neboli SSU obsahuje jednu 16S rRNA část a 21 r-proteiny. Zhruba řečeno, SSU je zhruba o dvě třetiny větší než LSU. Kromě toho rRNA LSU zahrnuje sedm domén, zatímco rRNA SSU lze rozdělit do čtyř domén.
RRNA eukaryotických ribozomů má přibližně o 1 000 více nukleotidů než rRNA prokaryotických ribozomů - přibližně 5 500 vs. 4,500. Zatímco E. coli ribozomy obsahují 54 r-proteinů mezi LSU (33) a SSU (21), eukaryotické ribozomy mají 80 r-proteinů. Eukaryotický ribozom také zahrnuje expanzní segmenty rRNA, které hrají jak strukturální roli, tak roli při syntéze proteinů.
Funkce ribozomu: Překlad
Úkolem ribozomu je vytvářet celou řadu bílkovin, které organismus potřebuje, od enzymů přes hormony až po části buněk a svalů. Tento proces se nazývá translace a je to třetí část centrálního dogmatu molekulární biologie: DNA na mRNA (transkripce) na protein (translace).
Důvod, který se nazývá překlad, spočívá v tom, že ribozomy, ponechané na svá vlastní zařízení, nemají žádný samostatný způsob „vědět“, jaké bílkoviny vydělat a kolik, přestože mají všechny suroviny, vybavení a pracovní sílu Požadované. Když se vrátíme k analogii „centra plnění“, představte si několik tisíc pracovníků, kteří plní uličky a stanice jedné z těchto obrovských místa, rozhlížet se po hračkách a knihách a sportovních potřebách, ale nedostávat žádné pokyny z internetu (nebo nikde jinde) o tom, co dělat. Nic by se nestalo, nebo alespoň nic produktivního pro podnikání.
Přeloženy jsou tedy instrukce kódované v mRNA, která zase získává kód z DNA v jádru buňky (pokud je organismus eukaryot; prokaryotům chybí jádra). V procesu transkripce je mRNA vyrobena z templátu DNA, přičemž nukleotidy jsou přidány k rostoucí mRNA řetězec odpovídající nukleotidům templátového řetězce DNA na úrovni párování bází. A v DNA generuje U v RNA, C generuje G, G generuje C a T generuje A. Protože se tyto nukleotidy objevují v lineární sekvenci, mohou být začleněny do skupin po dvou, třech, deseti nebo libovolném počtu. Jak se to stane, skupina tří nukleotidů na molekule mRNA se pro účely specificity nazývá kodon nebo „tripletový kodon“. Každý kodon nese pokyny pro jednu z 20 aminokyselin, které si pamatujete, jsou stavebními kameny proteinů. Například AUG, CCG a CGA jsou všechny kodony a nesou pokyny pro přípravu specifické aminokyseliny. Existuje 64 různých kodonů (4 báze zvednuté na sílu 3 se rovná 64), ale pouze 20 aminokyselin; ve výsledku je většina aminokyselin kódována více než jedním tripletem a pár aminokyselin je specifikováno šesti různými tripletovými kodony.
Syntéza proteinů vyžaduje ještě další typ RNA, tRNA. Tento typ RNA fyzicky přivádí aminokyseliny do ribozomu. Ribozom má tři sousedící vazebná místa pro tRNA, jako jsou personalizovaná parkovací místa. Jedním z nich je aminoacyl vazebné místo, které je pro molekulu tRNA připojené k další aminokyselině v proteinu, tj. příchozí aminokyselině. Druhým je peptidyl vazebné místo, kde se váže centrální molekula tRNA obsahující rostoucí peptidový řetězec. Třetí a poslední je výstup vazebné místo, pokud je použito, nyní prázdné molekuly tRNA jsou vypouštěny z ribozomu.
Jakmile jsou aminokyseliny polymerizovány a vytvoří se hlavní řetězec proteinu, ribozom uvolní protein, který je poté transportován v prokaryotech do cytoplazmy a v eukaryotech do Golgiho těl. Proteiny jsou poté úplně zpracovány a uvolněny, buď uvnitř nebo vně buňky, protože všechny ribozomy produkují proteiny pro místní i vzdálené použití. Ribozomy jsou velmi účinné; jediná v eukaryotické buňce může každou sekundu přidat dvě aminokyseliny do rostoucího proteinového řetězce. U prokaryot fungují ribozomy téměř zběsilým tempem a každou sekundu přidávají k polypeptidu 20 aminokyselin.
Poznámka k evoluci: U eukaryotů se ribozomy kromě toho, že se nacházejí ve výše uvedených místech, nacházejí také v mitochondriích u zvířat a v chloroplastech rostlin. Tyto ribozomy se velmi liší velikostí a složením od ostatních ribozomů nalezených v těchto buňkách a naslouchají prokaryotickým ribozomům bakteriálních a modrozelených buněk řas. Toto je považováno za rozumně silný důkaz, že mitochondrie a chloroplasty se vyvinuly z prokaryot předků.