Mūsdienās lielajiem mazumtirgotājiem ir "izpildes centri", lai apstrādātu milzīgo tiešsaistes pasūtījumu apjomu, ko viņi saņem no visas pasaules. Šeit, šajās noliktavām līdzīgajās konstrukcijās, pēc iespējas efektīvāk tiek izsekoti, iepakoti un nosūtīti uz miljoniem galamērķu atsevišķi produkti. Sīkas struktūras, ko sauc par ribosomām, faktiski ir šūnu pasaules piepildījuma centri, kas saņem pasūtījumus par neskaitāmiem olbaltumvielu produktiem no kurjera ribonukleīnskābe (mRNS) un ātri un efektīvi panākt, lai šie produkti tiktu salikti un pa ceļam, kur tie nepieciešami.
Ribosomas parasti uzskata par organoīdiem, lai gan molekulārās bioloģijas puristi dažkārt norāda, ka tie ir sastopami prokariotos (lielākā daļa no kurām ir baktērijas), kā arī eikariotiem, un tiem trūkst membrānas, kas tos atdala no šūnas iekšpuses, divas pazīmes, kuras varētu diskvalificējošs. Jebkurā gadījumā gan prokariotu šūnām, gan eikariotu šūnām piemīt ribosomas, kuru struktūra un funkcija ir starp aizraujošākas bioķīmijas stundas, ņemot vērā ribosomu klātbūtnes un uzvedības pamatjēdzienus pasvītrojums.
No kā ir izgatavotas ribosomas?
Ribosomas sastāv no apmēram 60 procentiem olbaltumvielu un apmēram 40 procentu ribosomu RNS (rRNS). Šī ir interesanta saistība, ņemot vērā, ka olbaltumvielu sintēzei vai tulkošanai ir nepieciešams RNS tips (kurjera RNS vai mRNS). Tātad savā ziņā ribosomas ir kā deserts, kas sastāv gan no nemodificētām kakao pupiņām, gan no rafinētas šokolādes.
RNS ir viens no diviem nukleīnskābju veidiem, kas sastopami dzīvo būtņu pasaulē, otrs ir dezoksiribonukleīnskābe vai DNS. DNS ir bēdīgākā no abām, kas bieži tiek pieminēta ne tikai vispārpieņemtajos zinātniskajos rakstos, bet arī noziegumu stāstos. Bet RNS faktiski ir daudzpusīgāka molekula.
Nukleīnskābes sastāv no monomēriem vai atsevišķām vienībām, kas darbojas kā atsevišķas molekulas. Glikogēns ir glikozes monomēru polimērs, olbaltumvielas ir aminoskābju monomēru polimēri un nukleotīdi ir monomēri, no kuriem tiek izgatavota DNS un RNS. Nukleotīdi savukārt sastāv no piecu gredzenu cukura daļas, fosfāta daļas un slāpekļa bāzes daļas. DNS cukurs ir dezoksiriboze, turpretī RNS - riboze; tie atšķiras tikai ar to, ka RNS ir -OH (hidroksil) grupa, kur DNS ir -H (protons), taču ietekme uz RNS iespaidīgo funkcionalitāti ir ievērojama. Turklāt, lai gan slāpekļa bāze gan DNS nukleotīdā, gan RNS nukleotīdā ir viens no četriem iespējamiem veidiem, šie tipi DNS ir adenīns, citozīns, guanīns un timīns (A, C, G, T), turpretī RNS urinils ir aizstāts ar timīnu (A, C, G, U). Visbeidzot, DNS gandrīz vienmēr ir divšķautņains, bet RNS ir vienvirziena. Iespējams, tieši šī atšķirība no RNS visvairāk veicina RNS daudzpusību.
Trīs galvenie RNS veidi ir iepriekšminētā mRNS un rRNS kopā ar pārneses RNS (tRNS). Kaut arī gandrīz puse no ribosomu masas ir rRNS, gan mRNS, gan tRNS ir intīmas un neaizstājamas attiecības gan ar ribosomām, gan ar otru.
Eikariotu organismos ribosomas lielākoties ir piestiprinātas pie endoplazmas retikuluma, membrānisko struktūru tīkla, kas vislabāk ir pielīdzināms šūnu šosejas vai dzelzceļa sistēmai. Šūnu citoplazmā dažas eikariotu ribosomas un visas prokariotu ribosomas tiek atrastas brīvas. Atsevišķās šūnās var būt no tūkstošiem līdz miljoniem ribosomu; kā jūs varētu sagaidīt, šūnām, kas ražo daudz olbaltumvielu produktu (piemēram, aizkuņģa dziedzera šūnas), ir lielāks ribosomu blīvums.
Ribosomu struktūra
Prokariotos ribosomas ietver trīs atsevišķas rRNS molekulas, savukārt eikariotos ribosomas satur četras atsevišķas rRNS molekulas. Ribosomas sastāv no lielas apakšvienības un mazas apakšvienības. 21. gadsimta sākumā tika kartēta pilnīga apakšvienību trīsdimensiju struktūra. Pamatojoties uz šiem pierādījumiem, rRNS, nevis olbaltumvielas, nodrošina ribosomu ar tās pamatformu un funkciju; biologiem jau sen bija aizdomas par tik daudz. Olbaltumvielas ribosomās galvenokārt palīdz aizpildīt strukturālās nepilnības un uzlabo ribosomas galveno darbu - olbaltumvielu sintēzi. Olbaltumvielu sintēze var notikt bez šīm olbaltumvielām, bet to dara daudz lēnāk.
Ribosomu faktiskās masas vienības ir to Svedberga (S) vērtības, kas balstās uz to, cik ātri apakšvienības nosēžas mēģenes apakšā ar centrifūgas centripetālo spēku. Eikariotu šūnu ribosomām Svedbergas vērtības parasti ir 80S, un tās sastāv no 40. un 60. apakšvienībām. (ņemiet vērā, ka S vienības acīmredzami nav faktiskās masas; pretējā gadījumā matemātikai šeit nebūtu jēgas.) Turpretī prokariotu šūnās ir ribosomas, kas sasniedz 70S, sadalītas 30S un 50S apakšvienībās.
Gan olbaltumvielām, gan nukleīnskābēm, no kurām katra ir izgatavota no līdzīgām, bet ne identiskām monomērām vienībām, ir primārā, sekundārā un terciārā struktūra. RNS primārā struktūra ir atsevišķu nukleotīdu sakārtošana, kas savukārt ir atkarīga no to slāpekļa bāzēm. Piemēram, burti AUCGGCAUGC apraksta desmit nukleotīdu virkni nukleīnskābes (ko sauc par "polinukleotīdu", ja tas ir tik īss) ar adenīna, uracila, citozīna un guanīna bāzēm. RNS sekundārā struktūra apraksta to, kā virkne pieņemas, ka saliekumi un locījumi vienā plaknē, pateicoties elektroķīmiskajai mijiedarbībai starp nukleotīdiem. Ja jūs uz galda ievietotu krelles, un ķēde, kas savieno tās, nav taisna, jūs skatītos uz pērlīšu sekundāro struktūru. Visbeidzot, terciārā striktūra attiecas uz to, kā visa molekula izkārtojas trīsdimensiju telpā. Turpinot ar pērlīšu piemēru, jūs to varētu pacelt no galda un saspiest rokā bumbiņveidīgā formā vai pat salocīt laivas formā.
Dziļāka rakšana ribosomu sastāvā
Labi pirms mūsdienu uzlaboto laboratorijas metožu pieejamības bioķīmiķi varēja prognozēt rRNS sekundārā struktūra, pamatojoties uz zināmo primāro secību un indivīda elektroķīmiskajām īpašībām bāzes. Piemēram, vai A bija sliecies pāroties ar U, ja izveidojās izdevīgs kaprīze un tuvināja viņus? 2000. gadu sākumā kristālogrāfiskā analīze apstiprināja daudzu agrīno pētnieku idejas par rRNS formu, palīdzot vēl vairāk noskaidrot tās darbību. Piemēram, kristalogrāfiskie pētījumi parādīja, ka rRNS gan piedalās olbaltumvielu sintēzē, gan piedāvā strukturālu atbalstu, līdzīgi kā ribosomu olbaltumvielu sastāvdaļa. rRNS veido lielāko daļu molekulārās platformas, uz kuras notiek translācija, un tai ir katalītiskā aktivitāte, kas nozīmē, ka rRNS piedalās tieši olbaltumvielu sintēzē. Tas ir novedis pie tā, ka daži zinātnieki struktūras raksturošanai izmanto terminu "ribozīms" (t.i., "ribosomu ferments"), nevis "ribosomu".
E. koli baktērijas piedāvā piemēru tam, cik daudz zinātnieki ir spējuši uzzināt par prokariotu ribosomu struktūru. Lielā apakšvienība jeb LSU E. koli ribosoma sastāv no atšķirīgām 5S un 23S rRNS vienībām un 33 olbaltumvielām, kuras sauc par r-olbaltumvielām "ribsomālai". Mazajā apakšvienībā jeb SSU ietilpst viena 16S rRNS daļa un 21 r-proteīns. Aptuveni runājot, tad SSU ir apmēram divas trešdaļas LSU lieluma. Turklāt LSU rRNS ietver septiņus domēnus, savukārt SSU rRNS var sadalīt četros domēnos.
Eikariotu ribosomu rRNS ir par aptuveni 1000 nukleotīdu vairāk nekā prokariotu ribosomu rRNS - apmēram 5500 pret 4,500. Tā kā E. koli ribosomās starp LSU (33) un SSU (21) ir 54 r-olbaltumvielas, eikariotu ribosomās ir 80 r-proteīni. Eikariotu ribosomā ietilpst arī rRNS izplešanās segmenti, kuriem ir gan strukturāla, gan olbaltumvielu sintēzes loma.
Ribosomu funkcija: Tulkošana
Ribosomas uzdevums ir padarīt visu organismam nepieciešamo olbaltumvielu klāstu, sākot no fermentiem līdz hormoniem līdz šūnu un muskuļu daļām. Šo procesu sauc par tulkošanu, un tā ir molekulārās bioloģijas centrālās dogmas trešā daļa: DNS uz mRNS (transkripcija) uz olbaltumvielu (tulkošana).
Iemesls, kāpēc to sauc par tulkošanu, ir tāds, ka ribosomām, kas atstātas pašu spēkiem, nav neatkarīga ceļa "zināt", kādas olbaltumvielas ražot un cik daudz, neskatoties uz to, ka ir visas izejvielas, aprīkojums un darbaspēks nepieciešama. Atgriežoties pie "piepildījuma centra" līdzības, iedomājieties, ka daži tūkstoši strādnieku piepilda eju un stacijas vienā no šīm milzīgajām vietās, apskatot rotaļlietas, grāmatas un sporta preces, bet nesaņemot norādes no interneta (vai no jebkuras citas vietas) par ko darīt. Nekas nenotiks vai vismaz nekas biznesam produktīvs.
Tad tiek tulkotas instrukcijas, kas kodētas mRNS, kas savukārt iegūst kodu no šūnas kodolā esošā DNS (ja organisms ir eikariots; prokariotiem trūkst kodolu). Transkripcijas procesā mRNS tiek izgatavota no DNS šablona, nukleotīdiem pievienojot augoša mRNS ķēde, kas atbilst matricas DNS virknes nukleotīdiem bāzes savienošana pārī. A DNS DNS ģenerē U RNS, C ģenerē G, G ģenerē C un T ģenerē A. Tā kā šie nukleotīdi parādās lineārā secībā, tos var iekļaut divu, trīs, desmit vai jebkura skaitļa grupās. Kā tas notiek, mRNS molekulas trīs nukleotīdu grupu specifiskuma nolūkos sauc par kodonu vai "tripleta kodonu". Katrā kodonā ir instrukcijas vienai no 20 aminoskābēm, kuras jūs atceraties par olbaltumvielu pamatelementiem. Piemēram, AUG, CCG un CGA ir kodoni, un uz tiem ir norādījumi par noteiktas aminoskābes ražošanu. Ir 64 dažādi kodoni (4 bāzes, kas paaugstinātas līdz 3 jaudai, ir vienādas ar 64), bet tikai 20 aminoskābes; rezultātā lielāko daļu aminoskābju kodē vairāk nekā viens triplets, un pāris aminoskābes nosaka seši dažādi tripletu kodoni.
Olbaltumvielu sintēzei nepieciešama vēl cita veida RNS, tRNS. Šāda veida RNS fiziski nogādā aminoskābes ribosomā. Ribosomai ir trīs blakus esošās tRNS saistīšanās vietas, piemēram, personalizētas autostāvvietas. Viens ir aminoacilgrupa saistīšanās vieta, kas paredzēta tRNS molekulai, kas pievienota nākamajai olbaltumvielu aminoskābei, tas ir, ienākošajai aminoskābei. Otrais ir peptidils saistīšanās vieta, kur piestiprinās centrālā tRNS molekula, kas satur augošo peptīdu ķēdi. Trešais un pēdējais ir Izeja saistīšanās vieta, kur to izmanto, tagad tukšās tRNS molekulas tiek izvadītas no ribosomas.
Kad aminoskābes ir polimerizētas un izveidojies olbaltumvielu mugurkauls, ribosoma atbrīvo olbaltumvielu, kas pēc tam prokariotos tiek nogādāta citoplazmā un eikariotos uz Golgi ķermeņiem. Pēc tam olbaltumvielas tiek pilnībā apstrādātas un atbrīvotas vai nu šūnā, vai ārpus tās, jo visas ribosomas ražo olbaltumvielas gan vietējai, gan tālai lietošanai. Ribosomas ir ļoti efektīvas; viens eikariotu šūnā katru sekundi augošajai olbaltumvielu ķēdei var pievienot divas aminoskābes. Prokariotos ribosomas darbojas gandrīz trakulīgā tempā, katru sekundi pievienojot 20 aminoskābes polipeptīdam.
Evolūcijas zemsvītras piezīme: eikariotos ribosomas papildus tām, kas atrodas iepriekšminētajos plankumos, var atrast arī dzīvnieku mitohondrijos un augu hloroplastos. Šīs ribosomas pēc izmēra un sastāva ir ļoti atšķirīgas no citām ribosomām, kas atrodamas šajās šūnās, un uzklausa baktēriju un zilaļģu šūnu prokariotiskās ribosomas. Tas tiek uzskatīts par pietiekami pārliecinošu pierādījumu tam, ka mitohondriji un hloroplasti attīstījās no senču prokariotiem.