A nagy kiskereskedők manapság "teljesítési központokkal" rendelkeznek a világ minden tájáról érkező online megrendelések rengeteg mennyiségének kezelésére. Itt, ezekben a raktárszerű struktúrákban, az egyes termékeket a lehető leghatékonyabban követik nyomon, csomagolják és szállítják célállomások millióihoz. Az apró riboszómáknak nevezett struktúrák tulajdonképpen a sejtszintű világ kiteljesedési központjai, amelyek számtalan fehérjeterméket kapnak messenger ribonukleinsav (mRNS) és gyorsan és hatékonyan összeszereli ezeket a termékeket, és úton van, ahol szükség van rájuk.
A riboszómákat általában organelláknak tekintik, bár a molekuláris biológiai puristák néha rámutatnak, hogy prokariótákban találhatók ( amelyek baktériumok), valamint eukarióták és nincs membránja, amely elválasztaná őket a sejt belsejétől, két olyan tulajdonság, kizáró. Mindenesetre mind a prokarióta sejtek, mind az eukarióta sejtek rendelkeznek riboszómákkal, amelyek felépítése és funkciója a lenyűgözőbb biokémiai leckék, mivel a riboszómák jelenléte és viselkedése hány alapvető fogalomnak köszönhető aláhúzás.
Miből készülnek a riboszómák?
A riboszómák körülbelül 60 százalék fehérjéből és körülbelül 40 százalékból állnak riboszomális RNS (rRNS). Ez érdekes kapcsolat, mivel a fehérjeszintézishez vagy transzlációhoz egy RNS-típusra (messenger-RNS vagy mRNS) van szükség. Szóval bizonyos értelemben a riboszómák olyanok, mint egy desszert, amely mind módosítatlan kakaóbabból, mind finomított csokoládéból áll.
Az RNS az élőlények világában található kétféle nukleinsav egyike, a másik a dezoxiribonukleinsav vagy a DNS. A kettő közül a DNS a leghírhedtebb, gyakran megemlítik nemcsak a mainstream tudományos cikkekben, hanem a krimikben is. De az RNS valójában a sokoldalúbb molekula.
A nukleinsavak monomerekből vagy különálló egységekből állnak, amelyek önálló molekulákként működnek. A glikogén a glükóz monomerek polimerje, a fehérjék az aminosav monomerek polimerjei, a nukleotidok pedig azok a monomerek, amelyekből DNS és RNS készül. A nukleotidok viszont ötgyűrűs cukor részből, foszfát részből és nitrogén bázis részből állnak. A DNS-ben a cukor dezoxiribóz, míg az RNS-ben ribóz; ezek csak annyiban különböznek egymástól, hogy az RNS-nek van egy -OH (hidroxil) csoportja, ahol a DNS-nek van egy -H (protonja), de az RNS lenyűgöző funkcionalitási sora jelentős. Ezenkívül, mind a DNS-nukleotidban, mind az RNS-nukleotidban lévő nitrogénbázis a négy lehetséges típus egyike, ezek a DNS típusai az adenin, a citozin, a guanin és a timin (A, C, G, T), míg az RNS-ben az uracil helyettesíti a timint (A, C, G, U). Végül a DNS szinte mindig kétszálú, míg az RNS egyszálú. Talán ez az RNS-től való eltérés járul hozzá leginkább az RNS sokoldalúságához.
Az RNS három fő típusa a fent említett mRNS és rRNS, valamint a transzfer RNS (tRNS). Míg a riboszómák tömegének közel fele rRNS, az mRNS és a tRNS egyaránt intim és nélkülözhetetlen kapcsolatokat élvez mind a riboszómákkal, mind egymással.
Az eukarióta organizmusokban a riboszómák leginkább az endoplazmatikus retikulumhoz kapcsolódnak, amely membránszerkezetek hálózata a legjobban hasonlítható egy autópálya vagy vasúti rendszerhez a sejtek számára. Néhány eukarióta riboszóma és az összes prokarióta riboszóma szabadon megtalálható a sejt citoplazmájában. Az egyes sejtekben több ezer és több millió riboszóma lehet; amint várható, a sok fehérjeterméket termelő sejtekben (például hasnyálmirigy-sejtekben) nagyobb a riboszómák sűrűsége.
A riboszómák szerkezete
A prokariótákban a riboszómák három különálló rRNS-molekulát tartalmaznak, míg az eukariótákban a riboszómák négy különálló rRNS-molekulát tartalmaznak. A riboszómák egy nagy alegységből és egy kis alegységből állnak. A 21. század elején feltérképezték az alegységek teljes háromdimenziós szerkezetét. Ezen bizonyítékok alapján az rRNS, nem pedig a fehérjék, biztosítja a riboszómát alapvető formájával és funkciójával; a biológusok már régóta sejtették ennyit. A riboszómákban található fehérjék elsősorban segítenek kitölteni a szerkezeti hézagokat és elősegítik a riboszóma fő feladatát - a fehérjék szintézisét. A fehérjeszintézis előfordulhat ezek nélkül a fehérjék nélkül, de sokkal lassabb ütemben.
A riboszómák tényleges tömegegységei azok Svedberg (S) értéke, amelyek azon alapulnak, hogy az alegységek milyen gyorsan telepednek le a kémcsövek aljára egy centrifuga centripetális ereje alatt. Az eukarióta sejtek riboszómáinak Svedberg-értéke általában 80S, és 40-es és 60-as alegységekből áll. (vegye figyelembe, hogy az S egységek nyilvánvalóan nem tényleges tömegek; különben az itteni matematikának nincs értelme.) Ezzel szemben a prokarióta sejtek 70S-t elérő riboszómákat tartalmaznak, 30S és 50S alegységekre osztva.
Mind a fehérjék, mind a nukleinsavak, amelyek mindegyike hasonló, de nem azonos monomer egységből áll, primer, szekunder és tercier szerkezettel rendelkeznek. Az RNS elsődleges szerkezete az egyes nukleotidok sorrendje, amelyek viszont nitrogén bázisaiktól függenek. Például az AUCGGCAUGC betűk egy tíz nukleotidból álló nukleinsavat írnak le (amelyet rövidnek nevezünk "polinukleotidnak"), az adenin, uracil, citozin és guanin bázisokkal. Az RNS szekunder szerkezete leírja, hogy a húr hogyan vállalja a hajlításokat és a síkban való összekapcsolódásokat egyetlen síkban a nukleotidok közötti elektrokémiai kölcsönhatásoknak köszönhetően. Ha egy gyöngyfüzért tesz az asztalra, és az őket összekötő lánc nem egyenes, akkor a gyöngyök másodlagos szerkezetét nézi. Végül a harmadlagos szűkület arra utal, hogy az egész molekula hogyan rendeződik be háromdimenziós térben. A gyöngy példa folytatásával felveheti az asztalról, és összenyomhatja gömb alakúvá a kezében, vagy akár hajó alakúra is hajthatja.
Mélyebben ásni a riboszomális kompozícióba
Jóval azelőtt, hogy a mai fejlett laboratóriumi módszerek elérhetővé váltak, a biokémikusok előrejelzéseket tudtak készíteni az rRNS szekunder szerkezete az ismert primer szekvencia és az egyén elektrokémiai tulajdonságai alapján bázisok. Például hajlandó volt-e A-t párosítani U-val, ha kialakult egy előnyös törés és szoros közelségbe hozta őket? A 2000-es évek elején a kristálytani elemzés megerősítette a korai kutatók számos elképzelését az rRNS formájáról, segítve tovább világítani működését. Például a kristálytani vizsgálatok kimutatták, hogy az rRNS egyszerre vesz részt a fehérjeszintézisben, és strukturális támogatást nyújt, hasonlóan a riboszómák fehérjekomponenséhez. Az rRNS alkotja a transzláció molekuláris platformjának nagy részét, és katalitikus aktivitással rendelkezik, ami azt jelenti, hogy az rRNS közvetlenül részt vesz a fehérjeszintézisben. Ennek eredményeként egyes tudósok a struktúra leírásához a "riboszóma" helyett a "ribozim" (azaz "riboszómaenzim") kifejezést használták.
E. coli a baktériumok példát mutatnak arra, hogy a tudósok mennyit tudtak megismerni a prokarióta riboszomális szerkezetéről. A. Nagy alegysége vagy LSU E. coli A riboszóma különálló 5S és 23S rRNS egységekből és 33 fehérjéből áll, amelyeket "ribsomális" r-fehérjéknek nevezünk. A kis alegység vagy SSU tartalmaz egy 16S rRNS-részt és 21 r-fehérjét. Nagyjából elmondható, hogy az SSU akkora, mint az LSU kétharmada. Ezenkívül az LSU rRNS-je hét domént tartalmaz, míg az SSU rRNS-je négy doménre osztható.
Az eukarióta riboszómák rRNS-e körülbelül 1000 nukleotiddal több, mint a prokarióta riboszómák rRNS-je - kb. 5500 vs. 4,500. Mivel E. coli a riboszómák 54 r-fehérjét tartalmaznak az LSU (33) és az SSU (21) között, az eukarióta riboszómák 80 r-fehérjével rendelkeznek. Az eukarióta riboszóma rRNS-tágulási szegmenseket is tartalmaz, amelyek mind strukturális, mind fehérjeszintézis szerepet játszanak.
Riboszóma funkció: Fordítás
A riboszóma feladata az, hogy a szervezet számára szükséges fehérjék teljes skáláját előállítsa, az enzimektől a hormonokig, a sejtek és az izmok részéig. Ezt a folyamatot transzlációnak nevezzük, és ez a molekuláris biológia központi dogmájának harmadik része: a DNS-ből az mRNS-be (transzkripció) a fehérjébe (transzláció).
Ennek az az oka, hogy ezt fordításnak hívják, hogy a saját magukra hagyott riboszómáknak nincs önálló módjuk "tudja", hogy milyen fehérjéket és mennyit kell előállítania, annak ellenére, hogy rendelkezik az összes alapanyaggal, berendezéssel és munkaerővel kívánt. Visszatérve a "teljesítési központ" analógiájára, képzelje el, hogy néhány ezer munkás tölti be ezeknek a hatalmasoknak a folyosóit és állomásait helyeken, körülnézegetve a játékokat, könyveket és sportcikkeket, de nem kapva útmutatást az internetről (vagy bárhonnan máshonnan) csinálni. Semmi sem történne, vagy legalábbis semmi eredményes a vállalkozás számára.
A fordítás tehát az mRNS-be kódolt utasítások, amelyek viszont a sejt magjában lévő DNS-től kapják meg a kódot (ha a szervezet eukarióta; a prokariótákból hiányzik az atommag). A transzkripció során az mRNS-t DNS templátból állítják elő, a nukleotidokat hozzáadva a DNS-hez a templát DNS szál nukleotidjainak megfelelő mRNS lánc növekvő szintje alap-párosítás. A DNS-ben található A az RNS-ben U-t, C G-t, G C-t és T A-t generál. Mivel ezek a nukleotidok lineáris sorrendben jelennek meg, beépíthetők kettő, három, tíz vagy tetszőleges számú csoportokba. Amint előfordul, egy mRNS-molekula három nukleotidjának csoportját kodonnak, vagy "triplett-kodonnak" nevezik specifitási célokból. Mindegyik kodon tartalmazza a 20 aminosav egyikére vonatkozó utasításokat, amelyek a fehérjék építőköveire emlékeztetnek. Például az AUG, a CCG és a CGA mind kodonok, és tartalmazzák az utasításokat egy adott aminosav előállítására. 64 különböző kodon létezik (4 bázis a 3 erejéig 64 megegyezik), de csak 20 aminosav van; ennek eredményeként a legtöbb aminosavat több mint egy triplett kódolja, és néhány aminosavat hat különböző triplett kodon határoz meg.
A fehérjeszintézishez még egy másik típusú RNS-re, a tRNS-re van szükség. Ez a fajta RNS fizikailag elhozza az aminosavakat a riboszómába. A riboszómának három szomszédos tRNS-kötő helye van, például személyre szabott parkolóhelyek. Az egyik a aminoacilcsoport kötési hely, amely a tRNS-molekula számára kapcsolódik a fehérje következő aminosavához, vagyis a bejövő aminosavhoz. A második a peptidil kötési hely, ahol a növekvő peptidláncot tartalmazó központi tRNS-molekula kapcsolódik. A harmadik és az utolsó egy kijárat kötési hely, ahol használjuk, most üres tRNS-molekulákat ürítenek a riboszómából.
Amint az aminosavak polimerizálódtak és egy fehérje gerinc kialakult, a riboszóma felszabadítja a fehérjét, amelyet ezután prokariótákban a citoplazmába, eukariótákban pedig a Golgi testekbe szállítanak. A fehérjék ezután teljesen feldolgozódnak és felszabadulnak, akár a sejt belsejében, akár azon kívül, mivel az összes riboszóma fehérjéket termel mind helyi, mind távoli felhasználásra. A riboszómák nagyon hatékonyak; az eukarióta sejtekben egyetlen egy másodpercenként két aminosavat adhat a növekvő fehérje lánchoz. A prokariótákban a riboszómák szinte eszeveszett ütemben működnek, másodpercenként 20 aminosavat adnak egy polipeptidhez.
Evolúciós lábjegyzet: Az eukariótákban a riboszómák amellett, hogy a fent említett foltokban helyezkednek el, megtalálhatók az állatok mitokondriumaiban és a növények kloroplasztikáiban is. Ezek a riboszómák méretükben és összetételükben nagyon különböznek az ezekben a sejtekben található más riboszómáktól, és meghallgatják a bakteriális és kék-zöld alga sejtek prokarióta riboszómáit. Ezt meglehetősen erős bizonyítéknak tekintik arra vonatkozóan, hogy a mitokondriumok és a kloroplasztok az ősi prokariótákból fejlődtek ki.