W dzisiejszych czasach wielcy detaliści mają „centra realizacji”, które obsługują ogromną liczbę zamówień online, które otrzymują z całego świata. Tutaj, w tych przypominających magazyny konstrukcjach, poszczególne produkty są śledzone, pakowane i wysyłane do milionów miejsc docelowych tak wydajnie, jak to tylko możliwe. Małe struktury zwane rybosomami są w rzeczywistości centrami realizacji w świecie komórkowym, otrzymując zamówienia na niezliczone produkty białkowe od przekaźnikowy kwas rybonukleinowy (mRNA) i szybko i sprawnie zmontować te produkty i dotrzeć tam, gdzie są potrzebne.
Rybosomy są ogólnie uważane za organelle, chociaż puryści biologii molekularnej czasami wskazują, że znajdują się u prokariontów (większość w tym bakterie) oraz eukarionty i brak błony oddzielającej je od wnętrza komórki, dwie cechy, które mogą być dyskwalifikujące. W każdym razie zarówno komórki prokariotyczne, jak i komórki eukariotyczne posiadają rybosomy, których struktura i funkcja należą do bardziej fascynujące lekcje biochemii, dzięki temu jak wiele podstawowych pojęć dotyczy obecności i zachowania rybosomów podkreślać.
Z czego zrobione są rybosomy?
Rybosomy składają się z około 60 procent białka i około 40 procent rybosomalny RNA (rRNA). Jest to interesująca zależność, biorąc pod uwagę, że do syntezy białek lub translacji wymagany jest rodzaj RNA (mRNA lub mRNA). W pewnym sensie rybosomy są jak deser składający się zarówno z niezmodyfikowanych ziaren kakaowca, jak i wyrafinowanej czekolady.
RNA jest jednym z dwóch rodzajów kwasów nukleinowych występujących w świecie żywych organizmów, drugim jest kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA. DNA jest bardziej znany z tych dwóch, często jest wymieniany nie tylko w głównych artykułach naukowych, ale także w kryminałach. Ale RNA jest w rzeczywistości bardziej wszechstronną cząsteczką.
Kwasy nukleinowe składają się z monomerów lub odrębnych jednostek, które działają jako samodzielne cząsteczki. Glikogen jest polimerem monomerów glukozy, białka są polimerami monomerów aminokwasów, a nukleotydy są monomerami, z których zbudowane jest DNA i RNA. Nukleotydy z kolei składają się z pięciopierścieniowej części cukru, części fosforanowej i części zasady azotowej. W DNA cukrem jest dezoksyryboza, podczas gdy w RNA jest to ryboza; różnią się one tylko tym, że RNA ma grupę -OH (hydroksylową), gdzie DNA ma -H (proton), ale implikacje dla imponującego zestawu funkcji RNA są znaczne. Dodatkowo, podczas gdy zasada azotowa zarówno w nukleotydzie DNA, jak i nukleotydzie RNA jest jednym z czterech możliwych typów, te typy w DNA to adenina, cytozyna, guanina i tymina (A, C, G, T), podczas gdy w RNA uracyl zastępuje tyminę (A, C, G, U). Wreszcie, DNA jest prawie zawsze dwuniciowy, podczas gdy RNA jest jednoniciowy. To właśnie ta różnica w stosunku do RNA prawdopodobnie najbardziej przyczynia się do wszechstronności RNA.
Trzy główne typy RNA to wspomniany wcześniej mRNA i rRNA wraz z transferowym RNA (tRNA). Podczas gdy blisko połowa masy rybosomów to rRNA, zarówno mRNA, jak i tRNA mają bliskie i niezbędne relacje zarówno z rybosomami, jak iz sobą nawzajem.
W organizmach eukariotycznych rybosomy są w większości związane z retikulum endoplazmatycznym, siecią struktur błoniastych, które najlepiej przypominają autostradę lub system kolejowy dla komórek. Niektóre rybosomy eukariotyczne i wszystkie rybosomy prokariotyczne są wolne w cytoplazmie komórki. Pojedyncze komórki mogą mieć od tysięcy do milionów rybosomów; jak można się spodziewać, komórki wytwarzające dużo produktów białkowych (np. komórki trzustki) mają większą gęstość rybosomów.
Struktura rybosomów
U prokariontów rybosomy zawierają trzy oddzielne cząsteczki rRNA, podczas gdy u eukariotów rybosomy zawierają cztery oddzielne cząsteczki rRNA. Rybosomy składają się z dużej podjednostki i małej podjednostki. Na początku XXI wieku zmapowano kompletną trójwymiarową strukturę pododdziałów. W oparciu o te dowody rRNA, a nie białka, zapewnia rybosomowi jego podstawową formę i funkcję; biolodzy od dawna to podejrzewali. Białka w rybosomach pomagają przede wszystkim wypełnić luki strukturalne i usprawnić główne zadanie rybosomu – syntezę białek. Synteza białek może zachodzić bez tych białek, ale dzieje się to w znacznie wolniejszym tempie.
De facto jednostkami masy rybosomów są ich wartości Svedberga (S), które są oparte na tym, jak szybko podjednostki osadzają się na dnie probówek pod wpływem siły dośrodkowej wirówki. Rybosomy komórek eukariotycznych zwykle mają wartości Svedberga 80S i składają się z podjednostek 40s i 60s. (zauważ, że jednostki S wyraźnie nie są rzeczywistymi masami; w przeciwnym razie matematyka nie miałaby sensu.) W przeciwieństwie do tego, komórki prokariotyczne zawierają rybosomy osiągające 70S, podzielone na podjednostki 30S i 50S.
Zarówno białka, jak i kwasy nukleinowe, z których każdy składa się z podobnych, ale nie identycznych jednostek monomerycznych, mają strukturę pierwszorzędową, drugorzędową i trzeciorzędową. Pierwszorzędowa struktura RNA to uporządkowanie poszczególnych nukleotydów, co z kolei zależy od ich zasad azotowych. Na przykład litery AUCGGCAUGC opisują dziesięcionukleotydowy ciąg kwasu nukleinowego (nazywany „polinukleotydem”, gdy jest tak krótki) z zasadami adeniny, uracylu, cytozyny i guaniny. Drugorzędowa struktura RNA opisuje, w jaki sposób struna przyjmuje zgięcia i załamania w jednej płaszczyźnie dzięki oddziaływaniom elektrochemicznym między nukleotydami. Jeśli położysz na stole sznur koralików, a łączący je łańcuszek nie jest prosty, będziesz patrzeć na drugorzędną strukturę koralików. Wreszcie trzeciorzędowe zwężenie odnosi się do tego, jak cała cząsteczka układa się w przestrzeni trójwymiarowej. Kontynuując przykład z koralikami, możesz podnieść go ze stołu i skompresować w dłoni w kształt podobny do kuli, a nawet złożyć w kształt łodzi.
Głębsze grzebanie w składzie rybosomów
Na długo przed udostępnieniem dzisiejszych zaawansowanych metod laboratoryjnych biochemicy byli w stanie przewidywać: drugorzędowa struktura rRNA oparta na znanej sekwencji pierwszorzędowej i właściwościach elektrochemicznych osobnika podstawy. Na przykład, czy A miał skłonność do parowania z U, gdyby powstał korzystny zagięcie i zbliżył ich do siebie? Na początku XXI wieku analiza krystalograficzna potwierdziła wiele poglądów wczesnych badaczy na temat formy rRNA, pomagając rzucić dalsze światło na jego funkcję. Na przykład badania krystalograficzne wykazały, że rRNA zarówno uczestniczy w syntezie białek, jak i zapewnia wsparcie strukturalne, podobnie jak komponent białkowy rybosomów. rRNA stanowi większość platformy molekularnej, na której zachodzi translacja i ma aktywność katalityczną, co oznacza, że rRNA uczestniczy bezpośrednio w syntezie białek. Doprowadziło to do tego, że niektórzy naukowcy używają terminu „rybozym” (tj. „enzym rybosomowy”) zamiast „rybosom” do opisania struktury.
MI. coli bakterie stanowią przykład tego, jak wiele naukowcy byli w stanie dowiedzieć się o strukturze rybosomalnej prokariontów. Duża podjednostka lub LSU of MI. coli rybosom składa się z odrębnych jednostek rRNA 5S i 23S oraz 33 białek, zwanych białkami r od „rybosomów”. Mała podjednostka lub SSU zawiera jedną część 16S rRNA i 21 białek r. Z grubsza mówiąc, SSU jest około dwóch trzecich wielkości LSU. Ponadto rRNA LSU obejmuje siedem domen, podczas gdy rRNA SSU można podzielić na cztery domeny.
rRNA rybosomów eukariotycznych ma około 1000 więcej nukleotydów niż rRNA rybosomów prokariotycznych – około 5500 vs. 4,500. Natomiast MI. coli rybosomy zawierają 54 białka r między LSU (33) i SSU (21), rybosomy eukariotyczne mają 80 białek r. Rybosom eukariotyczny obejmuje również segmenty ekspansji rRNA, które odgrywają rolę zarówno strukturalną, jak i syntezę białek.
Funkcja rybosomów: Tłumaczenie
Zadaniem rybosomu jest wytwarzanie całej gamy białek, których potrzebuje organizm, od enzymów, przez hormony, po części komórek i mięśni. Proces ten nazywa się translacją i jest to trzecia część centralnego dogmatu biologii molekularnej: DNA na mRNA (transkrypcja) na białko (translacja).
Powodem, dla którego nazywa się to translacją, jest to, że rybosomy pozostawione samym sobie nie mają niezależnej drogi do way „wiedzieć”, jakie białka wytwarzać i ile, pomimo posiadania wszystkich surowców, sprzętu i siły roboczej wymagany. Wracając do analogii „centrum realizacji”, wyobraźmy sobie kilka tysięcy pracowników wypełniających alejki i stacje jednego z tych ogromnych miejsca, rozglądać się po zabawkach, książkach i artykułach sportowych, ale nie uzyskiwać wskazówek z Internetu (ani nigdzie indziej) na temat czego do zrobienia. Nic by się nie wydarzyło, a przynajmniej nic produktywnego dla firmy.
Tłumaczone są zatem instrukcje zakodowane w mRNA, które z kolei otrzymuje kod z DNA w jądrze komórki (jeśli organizm jest eukariotem; prokarionty pozbawione jąder). W procesie transkrypcji mRNA powstaje z matrycy DNA, do której dodaje się nukleotydy rosnący łańcuch mRNA odpowiadający nukleotydom matrycowej nici DNA na poziomie parowanie zasad. A w DNA generuje U w RNA, C generuje G, G generuje C, a T generuje A. Ponieważ te nukleotydy pojawiają się w sekwencji liniowej, można je włączyć w grupy dwóch, trzech, dziesięciu lub dowolnej liczby. Tak się składa, że grupa trzech nukleotydów na cząsteczce mRNA nazywana jest kodonem lub „kodonem trypletowym” dla celów specyficzności. Każdy kodon zawiera instrukcje dotyczące jednego z 20 aminokwasów, które, jak pamiętasz, są budulcem białek. Na przykład AUG, CCG i CGA są kodonami i zawierają instrukcje tworzenia określonego aminokwasu. Istnieją 64 różne kodony (4 zasady podniesione do potęgi 3 równa się 64), ale tylko 20 aminokwasów; w rezultacie większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden tryplet, a kilka aminokwasów jest określonych przez sześć różnych kodonów trypletów.
Synteza białek wymaga jeszcze innego rodzaju RNA, tRNA. Ten typ RNA fizycznie przenosi aminokwasy do rybosomu. Rybosom ma trzy sąsiadujące miejsca wiązania tRNA, takie jak spersonalizowane miejsca parkingowe. Jednym z nich jest aminoacylo miejsce wiązania, które jest dla cząsteczki tRNA przyłączonej do następnego aminokwasu w białku, czyli przychodzącego aminokwasu. Drugi to peptydyl miejsce wiązania, do którego przyłącza się centralna cząsteczka tRNA zawierająca rosnący łańcuch peptydowy. Trzeci i ostatni to an Wyjście miejsce wiązania, jeśli jest używane, teraz puste cząsteczki tRNA są rozładowywane z rybosomu.
Po spolimeryzowaniu aminokwasów i utworzeniu szkieletu białkowego rybosom uwalnia białko, które następnie jest transportowane u prokariontów do cytoplazmy, au eukariotów do ciał Golgiego. Białka są następnie całkowicie przetwarzane i uwalniane wewnątrz lub na zewnątrz komórki, ponieważ wszystkie rybosomy wytwarzają białka do użytku lokalnego i dalekiego. Rybosomy są bardzo wydajne; jeden w komórce eukariotycznej może co sekundę dodawać dwa aminokwasy do rosnącego łańcucha białkowego. U prokariontów rybosomy działają w niemal szalonym tempie, dodając co sekundę 20 aminokwasów do polipeptydu.
Przypis ewolucyjny: u eukariontów rybosomy, oprócz tego, że znajdują się w wyżej wymienionych miejscach, można również znaleźć w mitochondriach zwierząt i chloroplastach roślin. Rybosomy te bardzo różnią się wielkością i składem od innych rybosomów znajdujących się w tych komórkach i nawiązują do prokariotycznych rybosomów komórek bakterii i niebiesko-zielonych alg. Uważa się to za dość mocny dowód na to, że mitochondria i chloroplasty wyewoluowały z prokariotów przodków.
