В наши дни у крупных розничных торговцев есть «центры исполнения», чтобы обрабатывать огромный объем онлайн-заказов, которые они получают со всего мира. Здесь, в этих складских структурах, отдельные продукты отслеживаются, упаковываются и отправляются в миллионы пунктов назначения с максимальной эффективностью. Крошечные структуры, называемые рибосомами, по сути, являются центрами реализации клеточного мира, получающими заказы на бесчисленные белковые продукты от мессенджер рибонуклеиновая кислота (мРНК) и быстро и эффективно собрать эти продукты и доставить туда, где они нужны.
Рибосомы обычно считаются органеллами, хотя сторонники молекулярной биологии иногда отмечают, что они обнаруживаются у прокариот (большинство из которых являются бактериями), а также эукариотами, и у них отсутствует мембрана, отделяющая их от внутренней части клетки - две черты, которые могут быть дисквалифицирующий. В любом случае как прокариотические клетки, так и эукариотические клетки обладают рибосомами, структура и функция которых относятся к числу более увлекательные уроки биохимии из-за того, как много фундаментальных концепций присутствия и поведения рибосом нижнее подчеркивание.
Из чего состоят рибосомы?
Рибосомы состоят примерно на 60 процентов из белка и примерно на 40 процентов. рибосомная РНК (рРНК). Это интересная взаимосвязь, учитывая, что для синтеза или трансляции белка требуется тип РНК (информационная РНК или мРНК). Таким образом, рибосомы похожи на десерт, состоящий из немодифицированных какао-бобов и рафинированного шоколада.
РНК - это один из двух типов нуклеиновых кислот, обнаруженных в мире живых существ, другой - дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК. ДНК является наиболее известной из двух, и ее часто упоминают не только в основных научных статьях, но и в криминальных историях. Но на самом деле РНК - более универсальная молекула.
Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров или отдельных единиц, которые функционируют как автономные молекулы. Гликоген - это полимер мономеров глюкозы, белки - это полимеры аминокислотных мономеров, а нуклеотиды - это мономеры, из которых сделаны ДНК и РНК. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из части сахара с пятью кольцами, части фосфата и части азотистого основания. В ДНК сахаром является дезоксирибоза, а в РНК - рибоза; они отличаются только тем, что РНК имеет -ОН (гидроксильную) группу, а ДНК имеет -Н (протон), но последствия для впечатляющего набора функциональных возможностей РНК значительны. Кроме того, хотя азотистое основание как в нуклеотиде ДНК, так и в нуклеотиде РНК является одним из четырех возможных типов, эти типы в ДНК - это аденин, цитозин, гуанин и тимин (A, C, G, T), тогда как в РНК урацил заменяет тимин (A, C, G, U). Наконец, ДНК почти всегда двухцепочечная, а РНК одноцепочечная. Именно это отличие от РНК, возможно, больше всего способствует универсальности РНК.
Три основных типа РНК - это вышеупомянутые мРНК и рРНК, а также транспортная РНК (тРНК). В то время как около половины массы рибосом составляет рРНК, мРНК и тРНК находятся в тесных и незаменимых отношениях как с рибосомами, так и друг с другом.
У эукариотических организмов рибосомы в основном прикреплены к эндоплазматической сети, сети мембранных структур, которую лучше всего сравнить с системой автомобильных дорог или железных дорог для клеток. Некоторые эукариотические рибосомы и все прокариотические рибосомы свободны в цитоплазме клетки. Отдельные клетки могут иметь от тысяч до миллионов рибосом; Как и следовало ожидать, клетки, производящие много белковых продуктов (например, клетки поджелудочной железы), имеют более высокую плотность рибосом.
Строение рибосом
У прокариот рибосомы включают три отдельные молекулы рРНК, тогда как у эукариот рибосомы включают четыре отдельные молекулы рРНК. Рибосомы состоят из большой субъединицы и небольшой субъединицы. В начале 21 века была нанесена на карту полная трехмерная структура субъединиц. Основываясь на этих доказательствах, рРНК, а не белки, обеспечивает рибосому ее основную форму и функцию; биологи давно это подозревали. Белки в рибосомах в первую очередь помогают заполнить структурные пробелы и усиливают основную работу рибосом - синтез белков. Синтез белка может происходить и без этих белков, но происходит это гораздо медленнее.
Де-факто единицы массы рибосом - это их значения Сведберга (S), которые основаны на том, насколько быстро субъединицы оседают на дно пробирки под действием центростремительной силы центрифуги. Рибосомы эукариотических клеток обычно имеют значения Сведберга 80S и состоят из 40 и 60 субъединиц. (обратите внимание, что единицы S явно не являются фактическими массами; в противном случае математика здесь не имела бы смысла.) Напротив, прокариотические клетки содержат рибосомы, достигающие 70S, разделенные на 30S и 50S субъединицы.
И белки, и нуклеиновые кислоты, каждая из которых состоит из одинаковых, но не идентичных мономерных единиц, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура РНК - это упорядочение отдельных нуклеотидов, которое, в свою очередь, зависит от их азотистых оснований. Например, буквы AUCGGCAUGC описывают последовательность из десяти нуклеотидов нуклеиновой кислоты (называемой «полинуклеотидом», если она такая короткая) с основаниями аденином, урацилом, цитозином и гуанином. Вторичная структура РНК описывает, как струна принимает изгибы и изгибы в одной плоскости благодаря электрохимическим взаимодействиям между нуклеотидами. Если вы положите бусины на стол, а соединяющая их цепочка не будет прямой, вы увидите вторичную структуру бусинок. Наконец, третичная стриктура относится к тому, как вся молекула располагается в трехмерном пространстве. Продолжая пример с бусинами, вы можете взять его со стола и сжать в руке в виде шара или даже сложить в форме лодки.
Углубление в состав рибосом
Задолго до того, как современные лабораторные методы стали доступны, биохимики могли делать прогнозы относительно вторичная структура рРНК на основе известной первичной последовательности и электрохимических свойств индивидуума базы. Например, был ли A склонен к спариванию с U, если образовался выгодный излом, и они оказались в непосредственной близости? В начале 2000-х кристаллографический анализ подтвердил многие идеи ранних исследователей о форме рРНК, что помогло пролить свет на ее функцию. Например, кристаллографические исследования продемонстрировали, что рРНК одновременно участвует в синтезе белка и предлагает структурную поддержку, во многом как белковый компонент рибосом. рРНК составляет большую часть молекулярной платформы, на которой происходит трансляция, и обладает каталитической активностью, что означает, что рРНК непосредственно участвует в синтезе белка. Это привело к тому, что некоторые ученые использовали термин «рибозим» (т.е. «фермент рибосома») вместо «рибосома» для описания структуры.
Э. кишечная палочка Бактерии служат примером того, как много ученые смогли узнать о рибосомной структуре прокариот. Большая субъединица, или LSU, Э. кишечная палочка рибосома состоит из отдельных единиц 5S и 23S рРНК и 33 белков, называемых r-белками для «рибсомы». Малая субъединица, или SSU, включает одну часть 16S рРНК и 21 р-белок. Грубо говоря, SSU составляет примерно две трети размера LSU. Кроме того, рРНК LSU включает семь доменов, в то время как рРНК SSU можно разделить на четыре домена.
РРНК эукариотических рибосом содержит примерно на 1000 нуклеотидов больше, чем рРНК прокариотических рибосом - примерно на 5,500 нуклеотидов. 4,500. Тогда как Э. кишечная палочка рибосомы содержат 54 r-белка между LSU (33) и SSU (21), эукариотические рибосомы содержат 80 r-белков. Рибосома эукариот также включает сегменты экспансии рРНК, которые играют как структурную роль, так и роль в синтезе белка.
Функция рибосомы: трансляция
Работа рибосомы - производить весь спектр белков, необходимых организму, от ферментов до гормонов и частей клеток и мышц. Этот процесс называется трансляцией, и это третья часть центральной догмы молекулярной биологии: ДНК в мРНК (транскрипция) в белок (трансляция).
Причина, по которой это называется трансляцией, заключается в том, что рибосомы, предоставленные самим себе, не имеют независимого способа «знать», какие белки производить и в каком количестве, несмотря на наличие всего сырья, оборудования и рабочей силы. обязательный. Возвращаясь к аналогии с «центром выполнения заказов», представьте, что несколько тысяч рабочих заполняют проходы и станции одного из этих огромных мест, глядя на игрушки, книги и спортивные товары, но не получая ответа из Интернета (или из любого другого места) о том, что делать. Ничего не произойдет или, по крайней мере, ничего продуктивного для бизнеса.
Таким образом, транслируются инструкции, закодированные в мРНК, которая, в свою очередь, получает код из ДНК в ядре клетки (если организм является эукариотом; у прокариот отсутствуют ядра). В процессе транскрипции мРНК создается из матрицы ДНК с добавлением нуклеотидов к растущая цепь мРНК, соответствующая нуклеотидам матричной цепи ДНК на уровне спаривание оснований. A в ДНК генерирует U в РНК, C генерирует G, G генерирует C, а T генерирует A. Поскольку эти нуклеотиды расположены в линейной последовательности, они могут быть объединены в группы из двух, трех, десяти или любого числа. Как правило, группа из трех нуклеотидов в молекуле мРНК называется кодоном или «триплетным кодоном» для целей специфичности. Каждый кодон содержит инструкции для одной из 20 аминокислот, которые, как вы помните, являются строительными блоками белков. Например, все AUG, CCG и CGA являются кодонами и несут инструкции по созданию конкретной аминокислоты. Существует 64 различных кодона (4 основания в степени 3 равняются 64), но только 20 аминокислот; в результате большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом, а пара аминокислот определяется шестью различными триплетными кодонами.
Для синтеза белка требуется еще один тип РНК, тРНК. Этот тип РНК физически переносит аминокислоты на рибосому. Рибосома имеет три соседних сайта связывания тРНК, например персонализированные парковочные места. Один из них аминоацил сайт связывания, который предназначен для молекулы тРНК, присоединенной к следующей аминокислоте в белке, то есть к входящей аминокислоте. Второй - это пептидил сайт связывания, к которому прикрепляется центральная молекула тРНК, содержащая растущую пептидную цепь. Третий и последний - это выход где используется сайт связывания, теперь пустые молекулы тРНК выводятся из рибосомы.
Как только аминокислоты полимеризуются и образуется белковый каркас, рибосома высвобождает белок, который затем транспортируется прокариотами в цитоплазму, а у эукариот - к тельцам Гольджи. Затем белки полностью обрабатываются и высвобождаются внутри или вне клетки, поскольку все рибосомы производят белки как для местного, так и для удаленного использования. Рибосомы очень эффективны; одна аминокислота в эукариотической клетке может каждую секунду добавлять две аминокислоты к растущей белковой цепи. У прокариот рибосомы работают с почти бешеной скоростью, добавляя 20 аминокислот к полипептиду каждую секунду.
Примечание об эволюции: у эукариот рибосомы, помимо того, что они расположены в вышеупомянутых местах, также могут быть найдены в митохондриях животных и хлоропластах растений. Эти рибосомы сильно отличаются по размеру и составу от других рибосом, обнаруженных в этих клетках, и соответствуют прокариотическим рибосомам бактериальных и сине-зеленых клеток водорослей. Это считается достаточно убедительным доказательством того, что митохондрии и хлоропласты произошли от предковых прокариот.
