Store detailhandlere har i disse dage "opfyldelsescentre" til at håndtere den store mængde onlineordrer, de modtager fra hele verden. Her, i disse lagerlignende strukturer, spores individuelle produkter, pakkes og sendes til millioner af destinationer så effektivt som muligt. Små strukturer kaldet ribosomer er i virkeligheden opfyldelsescentre i den cellulære verden og modtager ordrer på utallige proteinprodukter fra messenger ribonukleinsyre (mRNA) og hurtigt og effektivt få disse produkter samlet og på vej til, hvor de er nødvendige.
Ribosomer betragtes generelt som organeller, skønt molekylærbiologiske purister undertiden påpeger, at de findes i prokaryoter (de fleste hvoraf er bakterier) såvel som eukaryoter og mangler en membran, der adskiller dem fra celleindretningen, to træk der kan være diskvalificerende. Under alle omstændigheder har både prokaryote celler og eukaryote celler ribosomer, hvis struktur og funktion er blandt de mere fascinerende lektioner i biokemi på grund af hvor mange grundlæggende begreber ribosomernes tilstedeværelse og adfærd understreg.
Hvad er ribosomer lavet af?
Ribosomer består af ca. 60 procent protein og ca. 40 procent ribosomalt RNA (rRNA). Dette er et interessant forhold i betragtning af, at der kræves en type RNA (messenger RNA eller mRNA) til proteinsyntese eller translation. Så på en måde er ribosomer som en dessert bestående af både umodificerede kakaobønner og raffineret chokolade.
RNA er en af to typer nukleinsyrer, der findes i en verden af levende ting, den anden er deoxyribonukleinsyre eller DNA. DNA er den mest berygtede af de to og får ofte ikke kun nævnt i almindelige videnskabelige artikler, men også i kriminelle historier. Men RNA er faktisk det mere alsidige molekyle.
Nukleinsyrer består af monomerer eller forskellige enheder, der fungerer som enkeltstående molekyler. Glykogen er en polymer af glucosemonomerer, proteiner er polymerer af aminosyremonomerer, og nukleotider er de monomerer, hvorfra DNA og RNA fremstilles. Nukleotider består igen af en sukkerdel med fem ringe, en fosfatdel og en nitrogenholdig basedel. I DNA er sukkeret deoxyribose, mens det i RNA er ribose; disse adskiller sig kun ved, at RNA har en -OH (hydroxyl) gruppe, hvor DNA har en -H (en proton), men konsekvenserne for RNAs imponerende vifte af funktionalitet er betydelige. Derudover, mens den nitrogenholdige base i både et DNA-nukleotid og et RNA-nukleotid er en af fire mulige typer, er disse typer i DNA er adenin, cytosin, guanin og thymin (A, C, G, T), mens uracil i RNA er substitueret med thymin (A, C, G, U). Endelig er DNA næsten altid dobbeltstrenget, mens RNA er enkeltstrenget. Det er denne forskel fra RNA, der måske bidrager mest til RNA's alsidighed.
De tre hovedtyper af RNA er ovennævnte mRNA og rRNA sammen med transfer-RNA (tRNA). Mens næsten halvdelen af massen af ribosomer er rRNA, nyder både mRNA og tRNA intime og uundværlige forhold til både ribosomer og hinanden.
I eukaryote organismer findes ribosomer mest knyttet til det endoplasmatiske retikulum, et netværk af membranstrukturer, der bedst sammenlignes med et motorvejs- eller jernbanesystem for celler. Nogle eukaryote ribosomer og alle prokaryote ribosomer findes frit i cellens cytoplasma. Individuelle celler kan have fra tusinder til millioner af ribosomer; som du måske forventer, har celler, der producerer en masse proteinprodukter (f.eks. bugspytkirtelceller) en højere tæthed af ribosomer.
Ribosomernes struktur
I prokaryoter inkluderer ribosomer tre separate rRNA-molekyler, mens ribosomer i eukaryoter inkluderer fire separate rRNA-molekyler. Ribosomer består af en stor underenhed og en lille underenhed. I begyndelsen af det 21. århundrede blev den komplette tredimensionelle struktur af underenhederne kortlagt. Baseret på dette bevis giver rRNA, ikke proteiner, ribosomet med sin basale form og funktion; biologer havde længe mistanke om så meget. Proteinerne i ribosomer hjælper primært med at udfylde strukturelle huller og forbedre ribosomets hovedopgave - syntesen af proteiner. Proteinsyntese kan forekomme uden disse proteiner, men gør det i et meget langsommere tempo.
De facto-masseenhederne af ribosomer er deres Svedberg (S) -værdier, som er baseret på hvor hurtigt underenhederne sætter sig til bunden af reagensglas under centrifetalkraften af en centrifuge. Ribosomerne i eukaryote celler har normalt Svedberg-værdier på 80S og består af 40'ere og 60'ere underenheder. (bemærk, at S-enheder tydeligvis ikke er faktiske masser; ellers ville matematikken her ikke give mening.) I modsætning hertil indeholder prokaryote celler ribosomer, der når 70S, opdelt i 30S og 50S underenheder.
Både proteiner og nukleinsyrer, der hver er fremstillet af lignende, men ikke identiske monomere enheder, har en primær, sekundær og tertiær struktur. Den primære struktur af RNA er dets rækkefølge af individuelle nukleotider, som igen afhænger af deres nitrogenholdige baser. For eksempel beskriver bogstaverne AUCGGCAUGC en ti-nukleotidstreng af nukleinsyre (kaldet "polynukleotid", når den er så kort) med baserne adenin, uracil, cytosin og guanin. Den sekundære struktur af RNA beskriver, hvordan strengen antager bøjninger og knæk i et enkelt plan takket være elektrokemiske interaktioner mellem nukleotiderne. Hvis du lægger en streng perler på et bord, og kæden, der forbinder dem, ikke var lige, ville du se på perlenes sekundære struktur. Endelig henviser tertiær strengering til, hvordan hele molekylet arrangerer sig selv i et tredimensionelt rum. Hvis du fortsætter med perleeksemplet, kan du tage det op fra bordet og komprimere det til en kuglelignende form i din hånd eller endda folde det til en bådform.
Gravning dybere i ribosomal sammensætning
Længe før de avancerede laboratoriemetoder i dag blev tilgængelige, var biokemikere i stand til at forudsige om den sekundære struktur af rRNA baseret på den kendte primære sekvens og individets elektrokemiske egenskaber baser. For eksempel var A tilbøjelig til at parre sig med U, hvis der dannedes et fordelagtigt knæk og bragte dem tæt på? I begyndelsen af 2000'erne bekræftede krystallografisk analyse mange af de tidlige forskeres ideer om rRNAs form og hjalp med at kaste yderligere lys over dens funktion. For eksempel viste de krystallografiske undersøgelser, at rRNA begge deltager i proteinsyntese og tilbyder strukturel støtte, ligesom ribosomernes proteinkomponent. rRNA udgør det meste af den molekylære platform, hvorpå translation forekommer og har katalytisk aktivitet, hvilket betyder, at rRNA deltager direkte i proteinsyntese. Dette har ført til, at nogle forskere bruger udtrykket "ribozym" (dvs. "ribosomenzym") i stedet for "ribosom" til at beskrive strukturen.
E. coli bakterier giver et eksempel på, hvor meget forskere har været i stand til at lære om prokaryot ribosomal struktur. Den store underenhed, eller LSU, af E. coli ribosom består af forskellige 5S- og 23S rRNA-enheder og 33 proteiner, kaldet r-proteiner for "ribsomal." Den lille underenhed eller SSU inkluderer en 16S rRNA-del og 21 r-proteiner. Groft sagt er SSU således omkring to tredjedele af størrelsen på LSU. Derudover inkluderer rRNA af LSU syv domæner, mens rRNA af SSU kan opdeles i fire domæner.
RRNA af eukaryote ribosomer har ca. 1.000 flere nukleotider end rRNA fra prokaryote ribosomer - ca. 5.500 vs. 4,500. Der henviser til E. coli ribosomer har 54 r-proteiner mellem LSU (33) og SSU (21), eukaryote ribosomer har 80 r-proteiner. Det eukaryote ribosom inkluderer også rRNA-ekspansionssegmenter, som spiller både strukturelle og proteinsyntese roller.
Ribosomfunktion: Oversættelse
Ribosomets job er at skabe hele spektret af proteiner, som en organisme kræver, fra enzymer til hormoner til dele af celler og muskler. Denne proces kaldes translation, og det er den tredje del af den centrale dogme inden for molekylærbiologi: DNA til mRNA (transkription) til protein (translation).
Årsagen til dette kaldes oversættelse er, at ribosomerne, der overlades til deres egne enheder, ikke har nogen uafhængig måde at "ved" hvilke proteiner du skal fremstille og hvor meget, på trods af at du har alle råmaterialerne, udstyret og arbejdsstyrken krævet. Vend tilbage til "opfyldelsescenter" -alogien, forestil dig et par tusinde arbejdere, der fylder gangene og stationerne på en af disse enorme steder, kigger rundt på legetøj og bøger og sportsudstyr, men får ingen retning fra Internettet (eller fra andre steder) om hvad at gøre. Intet ville ske, eller i det mindste intet produktivt for virksomheden.
Hvad der oversættes, er derfor instruktionerne kodet i mRNA, som igen får koden fra DNA i cellekernen (hvis organismen er en eukaryot; prokaryoter mangler kerner). Under transkriptionsprocessen er mRNA lavet af en DNA-skabelon med nukleotiderne føjet til voksende mRNA-kæde svarende til nukleotiderne i skabelon-DNA-strengen på niveauet for base-parring. A i DNA genererer U i RNA, C genererer G, G genererer C, og T genererer A. Da disse nukleotider vises i en lineær sekvens, kan de inkorporeres i grupper på to, tre, ti eller et hvilket som helst tal. Når det sker, kaldes en gruppe på tre nukleotider på et mRNA-molekyle et codon eller "triplet codon" til specificitetsformål. Hver codon bærer instruktionerne til en af 20 aminosyrer, som du husker er byggestenene til proteiner. For eksempel er AUG, CCG og CGA alle kodoner og bærer instruktionerne til fremstilling af en specifik aminosyre. Der er 64 forskellige kodoner (4 baser hævet med en styrke på 3 svarer til 64), men kun 20 aminosyrer; som et resultat kodes de fleste aminosyrer for mere end en triplet, og et par aminosyrer er specificeret af seks forskellige tripletkodoner.
Proteinsyntese kræver endnu en type RNA, tRNA. Denne type RNA bringer fysisk aminosyrerne til ribosomet. Et ribosom har tre tilstødende tRNA-bindingssteder som f.eks. Personlige parkeringspladser. Den ene er den aminoacyl bindingssted, som er for tRNA-molekylet bundet til den næste aminosyre i proteinet, det vil sige den indkommende aminosyre. Den anden er peptidyl bindingssted, hvor det centrale tRNA-molekyle, der indeholder den voksende peptidkæde, binder. Den tredje og sidste er en Afslut bindingssted, hvor anvendt, nu tomme tRNA-molekyler udledes fra ribosomet.
Når først aminosyrer er polymeriseret, og der er dannet et protein-rygrad, frigiver ribosomet proteinet, som derefter transporteres i prokaryoter til cytoplasmaet og i eukaryoter til Golgi-legeme. Proteinerne behandles derefter fuldstændigt og frigives, enten inden i eller uden for cellen, da alle ribosomer producerer proteiner til både lokal og fjern brug. Ribosomer er meget effektive; en enkelt i en eukaryot celle kan tilføje to aminosyrer til en voksende proteinkæde hvert sekund. I prokaryoter arbejder ribosomer i et næsten hektisk tempo og tilføjer 20 aminosyrer til et polypeptid hvert sekund.
En evolutionsfodnote: I eukaryoter kan ribosomer ud over at være placeret i de ovennævnte pletter også findes i mitokondrier hos dyr og kloroplaster af planter. Disse ribosomer er meget forskellige i størrelse og sammensætning fra andre ribosomer, der findes i disse celler, og lytter til de prokaryote ribosomer fra bakterielle og blågrønne alger celler. Dette betragtes som rimeligt stærkt bevis for, at mitokondrier og kloroplaster udviklede sig fra forfædres prokaryoter.