Tänapäeval on suurtel jaemüüjatel "täitmiskeskused", et hallata kogu maailmas saadavate veebitellimuste suurt hulka. Nendes ladulaadsetes struktuurides jälgitakse üksiktooteid võimalikult kiiresti, pakendatakse ja tarnitakse miljonitesse sihtkohtadesse. Pisikesed struktuurid, mida nimetatakse ribosoomideks, on tegelikult rakumaailma täitmiskeskused, kust saavad tellimusi lugematute valgusaaduste kohta messenger ribonukleiinhape (mRNA) ning kiiresti ja tõhusalt need tooted kokku panna ja teel sinna, kuhu vaja.
Ribosoome peetakse tavaliselt organellideks, kuigi molekulaarbioloogia puristid osutavad mõnikord, et neid leidub prokarüootides (enamik neist bakterid) kui ka eukarüootidel ja neil puudub raku sisemusest eraldav membraan, mis võib olla diskvalifitseeriv. Igal juhul on nii prokarüootsetes rakkudes kui ka eukarüootsetes rakkudes ribosoomid, mille struktuur ja funktsioon kuuluvad biokeemia põnevamad õppetunnid, kuna mitu põhimõistet on ribosoomide olemasolu ja käitumine allajoonitud.
Mis on ribosoomid valmistatud?
Ribosoomid koosnevad umbes 60 protsendist valgust ja umbes 40 protsendist ribosomaalne RNA (rRNA). See on huvitav seos, arvestades, et valgusünteesiks või translatsiooniks on vajalik teatud tüüpi RNA (messenger RNA või mRNA). Nii on ribosoomid mõnes mõttes nagu magustoit, mis koosneb nii modifitseerimata kakaoubadest kui rafineeritud šokolaadist.
RNA on üks kahest elusolendite maailmas leiduvast nukleiinhappe tüübist, teine on desoksüribonukleiinhape ehk DNA. DNA on neist kahest kurikuulsam, mainides seda sageli mitte ainult peavoolu teadusartiklites, vaid ka kriminaallugudes. Kuid RNA on tegelikult mitmekülgsem molekul.
Nukleiinhapped koosnevad monomeeridest või eraldiseisvatest üksustest, mis toimivad iseseisvate molekulidena. Glükogeen on glükoosimonomeeride polümeer, valgud on aminohapete monomeeride polümeerid ja nukleotiidid on monomeerid, millest valmistatakse DNA ja RNA. Nukleotiidid koosnevad omakorda viiest ringist suhkruportsjonist, fosfaadiosast ja lämmastikust aluseosast. DNA-s on suhkur desoksüriboos, RNA-s aga riboos; need erinevad ainult selle poolest, et RNA-l on -OH (hüdroksüül) rühm, kus DNA-l on -H (prooton), kuid selle mõju RNA muljetavaldavale funktsionaalsusele on märkimisväärne. Lisaks on nii DNA nukleotiidi kui ka RNA nukleotiidi lämmastikalus üks neljast võimalikust tüübist, kuid need tüübid DNA-s on adeniin, tsütosiin, guaniin ja tümiin (A, C, G, T), samas kui RNA-s on urütsiil asendatud tümiiniga (A, C, G, U). Lõpuks on DNA peaaegu alati kaheahelaline, samas kui RNA on üheahelaline. See erinevus RNA-st aitab ehk kõige rohkem kaasa RNA mitmekülgsusele.
RNA kolm peamist tüüpi on ülalmainitud mRNA ja rRNA koos ülekande RNA-ga (tRNA). Kui ligi pool ribosoomide massist on rRNA, on nii mRNA kui ka tRNA intiimsed ja hädavajalikud suhted nii ribosoomide kui ka üksteisega.
Eukarüootsetes organismides leidub ribosoome enamasti kinnitatud endoplasmaatilise retikulumi külge, mis on membraaniliste struktuuride võrk, mida rakkude jaoks võrreldakse kõige paremini maantee- või raudteesüsteemiga. Mõned eukarüootsed ribosoomid ja kõik prokarüootsed ribosoomid leitakse raku tsütoplasmas vabalt. Üksikutel rakkudel võib olla tuhandeid kuni miljoneid ribosoome; nagu võite arvata, on paljudel valgusaadusi tootvatel rakkudel (nt pankrease rakud) ribosoomide tihedus suurem.
Ribosoomide struktuur
Prokarüootides sisaldavad ribosoomid kolme eraldi rRNA molekuli, eukarüootides aga neli eraldi rRNA molekuli. Ribosoomid koosnevad suurest ja väikesest allüksusest. 21. sajandi alguses kaardistati allüksuste täielik kolmemõõtmeline struktuur. Selle tõendi põhjal annab ribosoomile põhivormi ja funktsiooni rRNA, mitte valgud; bioloogid olid seda juba ammu kahtlustanud. Ribosoomides olevad valgud aitavad peamiselt täita struktuurilisi lünki ja tugevdavad ribosoomi põhitööd - valkude sünteesi. Valgusüntees võib toimuda ilma nende valkudeta, kuid teeb seda palju aeglasemas tempos.
Ribosoomide de facto massiühikud on nende Svedbergi (S) väärtused, mis põhinevad sellel, kui kiiresti settivad alaühikud katseklaaside põhja tsentrifuugi tsentripetaalse jõu all. Eukarüootsete rakkude ribosoomide Svedbergi väärtused on tavaliselt 80S ja koosnevad 40- ja 60-ndatest subühikutest. (pange tähele, et S-ühikud ei ole ilmselgelt tegelikud massid; muidu poleks siinsel matemaatikal mingit mõtet.) Seevastu prokarüootsed rakud sisaldavad ribosoome, mis ulatuvad 70S-ni, jagatuna 30S ja 50S alaühikuteks.
Nii valkudel kui ka nukleiinhapetel, mis mõlemad on valmistatud sarnastest, kuid mitte identsetest monomeersetest üksustest, on primaarne, sekundaarne ja tertsiaarne struktuur. RNA esmane struktuur seisneb üksikute nukleotiidide järjestuses, mis omakorda sõltub nende lämmastikalustest. Näiteks tähed AUCGGCAUGC kirjeldavad kümnenukleotiidset nukleiinhappe ahelat (nn lühike polünukleotiid) alustega adeniin, uratsiil, tsütosiin ja guaniin. RNA sekundaarne struktuur kirjeldab seda, kuidas string eeldab tänu nukleotiidide vahelistele elektrokeemilistele interaktsioonidele paindumist ja kinkimist ühes tasapinnas. Kui paneksite helmestealaua lauale ja neid ühendav kett ei oleks sirge, vaataksite helmeste sekundaarset struktuuri. Lõpuks, kolmanda astme kitsendus viitab sellele, kuidas kogu molekul paigutab end kolmemõõtmelisse ruumi. Jätkates helmeste näitega, võiksite selle laualt üles võtta ja oma käes pallikujuliseks suruda või isegi paadikujuliseks kokku voltida.
Kaevamine sügavamale ribosomaalsesse kompositsiooni
Juba enne tänapäevaste täiustatud laborimeetodite kättesaadavaks tegemist suutsid biokeemikud selle kohta ennustusi teha rRNA sekundaarne struktuur, mis põhineb teadaoleval primaarsel järjestusel ja indiviidi elektrokeemilistel omadustel alused. Näiteks kas A kaldus paaristama U-ga, kui tekkis soodne kink ja viis nad lähedusse? 2000. aastate alguses kinnitas kristallograafiline analüüs paljude varajaste uurijate ideid rRNA vormi kohta, aidates selle funktsiooni veelgi valgustada. Näiteks näitasid kristallograafilised uuringud, et rRNA osaleb nii valgusünteesis kui ka pakub struktuurset tuge, umbes nagu ribosoomide valgu komponent. rRNA moodustab suurema osa molekulaarsest platvormist, millel translatsioon toimub, ja millel on katalüütiline aktiivsus, mis tähendab, et rRNA osaleb otseselt valgusünteesis. See on viinud selleni, et mõned teadlased kasutavad struktuuri kirjeldamiseks ribosoomi asemel terminit "ribosüüm" (s.t. "ribosoomi ensüüm").
E. coli bakterid pakuvad näite selle kohta, kui palju teadlased on saanud teada prokarüootide ribosoomide struktuurist. ASi suur allüksus ehk LSU E. coli ribosoom koosneb erinevatest 5S ja 23S rRNA üksustest ning 33 valgust, mida nimetatakse ribsomaalseks r-valkudeks. Väike alaühik ehk SSU sisaldab ühte 16S rRNA osa ja 21 r-valku. Jämedalt öeldes on SSU siis umbes kaks kolmandikku LSU suurusest. Lisaks sisaldab LSU rRNA seitset domeeni, samas kui SSU rRNA võib jagada neljaks domeeniks.
Eukarüootsete ribosoomide rRNA-l on umbes 1000 nukleotiidi rohkem kui prokarüootsete ribosoomide rRNA-l - umbes 5500 vs. 4,500. Arvestades, et E. coli ribosoomidel on LSU (33) ja SSU (21) vahel 54 r-valku, eukarüootsetes ribosoomides on 80 r-valku. Eukarüootne ribosoom sisaldab ka rRNA laienemise segmente, millel on nii struktuurne kui ka valgusünteesi roll.
Ribosoomi funktsioon: tõlge
Ribosoomi ülesanne on valmistada organismile kogu vajalik valk, ensüümidest hormoonideni rakkude ja lihaste osadeni. Seda protsessi nimetatakse translatsiooniks ja see on molekulaarbioloogia keskse dogma kolmas osa: DNA mRNA-ks (transkriptsioon) valguks (translatsioon).
Põhjuseks, mida seda tõlkeks nimetatakse, on see, et oma kätesse jäetud ribosoomidel pole iseseisvat võimalust "tea", milliseid valke ja kui palju toota, hoolimata kogu tooraine, seadmete ja tööjõu olemasolust nõutud. Tulles tagasi "täitmiskeskuse" analoogia juurde, kujutage ette, et mõni tuhat töötajat täidab ühe sellise tohutu vahekäiku ja jaamu kohtades, vaadates ringi mänguasjades, raamatutes ja spordikaupades, kuid saades Internetist (või mujalt) juhiseid, mille kohta tegema. Midagi ei juhtuks või vähemalt mitte midagi tootlikku ettevõttele.
Tõlgitakse siis mRNA-sse kodeeritud juhised, mis omakorda saavad koodi raku tuumas olevalt DNA-lt (kui organism on eukarüoot; prokarüootidel puuduvad tuumad). Transkriptsiooni käigus valmistatakse mRNA DNA matriitsist, millele lisatakse nukleotiidid DNA matriidi ahela nukleotiididele vastava mRNA ahela kasv aluse sidumine. A DNA-s tekitab U RNA-s, C genereerib G, G genereerib C ja T genereerib A-d. Kuna need nukleotiidid esinevad lineaarses järjestuses, saab neid lisada kahe, kolme, kümne või mis tahes arvu rühmadesse. Nagu juhtub, nimetatakse mRNA molekuli kolme nukleotiidi rühma spetsiifilisuse huvides koodoniks või "triplettkoodoniks". Igal koodonil on juhised ühele 20 aminohappest, mis on teie arvates valkude ehituskivid. Näiteks AUG, CCG ja CGA on kõik koodonid ja kannavad juhiseid konkreetse aminohappe valmistamiseks. Seal on 64 erinevat koodonit (4 alust tõstetakse 3 võimsusele, võrdub 64), kuid ainult 20 aminohapet; selle tulemusena kodeerib enamikku aminohappeid rohkem kui üks triplett ja paar aminohapet määratakse kuue erineva tripleti koodoniga.
Valgusüntees nõuab veel ühte tüüpi RNA-d, tRNA-d. Seda tüüpi RNA viib aminohapped ribosoomi füüsiliselt. Ribosoomil on kolm kõrvuti asetsevat tRNA sidumissaiti, näiteks isikupärased parkimiskohad. Üks on aminoatsüül seondumiskoht, mis on valgu järgmise aminohappe külge kinnitatud tRNA molekuli, see tähendab sissetuleva aminohappe jaoks. Teine on peptidüül seondumiskoht, kuhu kinnitub kasvavat peptiidahelat sisaldav tRNA keskne molekul. Kolmas ja viimane on an väljumine seondumiskoht, kus seda kasutatakse, tühjendatakse ribosoomist praegu tühjad tRNA molekulid.
Kui aminohapped on polümeriseerunud ja valgu selgroog on moodustunud, vabastab ribosoom valgu, mis seejärel transporditakse prokarüootides tsütoplasmasse ja eukarüootides Golgi kehadesse. Seejärel töödeldakse ja vabastatakse valgud täielikult kas rakusiseselt või -väliselt, kuna kõik ribosoomid toodavad valke nii kohalikuks kui ka kaugemaks kasutamiseks. Ribosoomid on väga tõhusad; üks eukarüootsetes rakkudes võib iga sekund lisada kasvavale valguahelale kaks aminohapet. Prokarüootides töötavad ribosoomid peaaegu pöörases tempos, lisades polüpeptiidile igal sekundil 20 aminohapet.
Evolutsiooniline joonealune märkus: eukarüootides võib lisaks ülalnimetatud kohtadele paikneda ribosoome leida ka loomade mitokondrites ja taimede kloroplastides. Need ribosoomid on oma suuruselt ja koostiselt väga erinevad teistest nendes rakkudes leiduvatest ribosoomidest ning kuulavad bakteri- ja sinivetikarakkude prokarüootset ribosoomi. Seda peetakse piisavalt tugevaks tõendiks selle kohta, et mitokondrid ja kloroplastid arenesid esivanemate prokarüootidest.