Veľkí maloobchodníci v dnešnej dobe majú „centrá plnenia“, ktoré majú na starosti obrovský objem online objednávok, ktoré dostávajú z celého sveta. Tu sa v týchto skladových štruktúrach jednotlivé produkty sledujú, balia a prepravujú čo najefektívnejšie do miliónov destinácií. Drobné štruktúry nazývané ribozómy sú v skutočnosti centrami plnenia bunkového sveta, ktoré prijímajú objednávky na nespočetné množstvo bielkovinových produktov messenger ribonukleová kyselina (mRNA) a rýchlo a efektívne zhromaždiť tieto produkty a na ceste tam, kde sú potrebné.
Ribozómy sa všeobecne považujú za organely, hoci puristi molekulárnej biológie niekedy poukazujú na to, že sa nachádzajú v prokaryotoch (väčšina z ktorých sú baktérie), ako aj eukaryoty a chýba im membrána oddeľujúca ich od vnútra bunky, čo sú dva znaky, ktoré by mohli byť diskvalifikujúci. V každom prípade prokaryotické bunky aj eukaryotické bunky obsahujú ribozómy, ktorých štruktúra a funkcia patrí medzi fascinujúcejšie hodiny biochémie vďaka mnohým základným konceptom prítomnosti a správania ribozómov podčiarknutie.
Z čoho sú vyrobené ribozómy?
Ribozómy pozostávajú z asi 60 percent bielkovín a asi 40 percent ribozomálna RNA (rRNA). Je to zaujímavý vzťah, pretože pre syntézu alebo transláciu proteínov je potrebný typ RNA (messenger RNA alebo mRNA). Takže svojím spôsobom sú ribozómy ako dezert pozostávajúci z neupravených kakaových bôbov a rafinovanej čokolády.
RNA je jedným z dvoch typov nukleových kyselín nachádzajúcich sa vo svete živých tvorov, druhým je deoxyribonukleová kyselina alebo DNA. DNA je z tých dvoch povestnejšia a často sa o nej hovorí nielen v bežných vedeckých článkoch, ale aj v kriminálnych príbehoch. Ale RNA je v skutočnosti všestrannejšia molekula.
Nukleové kyseliny sú tvorené monomérmi alebo samostatnými jednotkami, ktoré fungujú ako samostatné molekuly. Glykogén je polymér monomérov glukózy, proteíny sú polymérmi aminokyselinových monomérov a nukleotidy sú monoméry, z ktorých sa vyrábajú DNA a RNA. Nukleotidy zase pozostávajú z päťkruhovej cukrovej časti, fosfátovej časti a časti dusíkatej bázy. V DNA je cukrom deoxyribóza, zatiaľ čo v RNA je to ribóza; líšia sa iba v tom, že RNA má -OH (hydroxylovú) skupinu, kde DNA má -H (protón), ale dôsledky pre pôsobivú škálu funkcií RNA sú značné. Navyše, zatiaľ čo dusíkatá báza v DNA nukleotide aj RNA nukleotide je jedným zo štyroch možných typov, tieto typy v DNA sú adenín, cytozín, guanín a tymín (A, C, G, T), zatiaľ čo v RNA je tymínom nahradený uracil (A, C, G, T U). Nakoniec, DNA je takmer vždy dvojvláknová, zatiaľ čo RNA je jednovláknová. Práve tento rozdiel od RNA možno najviac prispieva k všestrannosti RNA.
Tri hlavné typy RNA sú vyššie uvedené mRNA a rRNA spolu s transferovou RNA (tRNA). Zatiaľ čo takmer polovica hmotnosti ribozómov je rRNA, mRNA aj tRNA majú vzájomné a nevyhnutné vzťahy s obidvomi ribozómami.
V eukaryotických organizmoch sa ribozómy väčšinou nachádzajú pripojené k endoplazmatickému retikulu, sieti membránových štruktúr, ktorá sa najlepšie porovnáva s diaľnicou alebo železnicou pre bunky. Niektoré eukaryotické ribozómy a všetky prokaryotické ribozómy sa nachádzajú voľné v cytoplazme bunky. Jednotlivé bunky môžu obsahovať tisíce až milióny ribozómov; ako môžete očakávať, bunky, ktoré produkujú veľa bielkovinových produktov (napr. bunky pankreasu), majú vyššiu hustotu ribozómov.
Štruktúra ribozómov
U prokaryotov ribozómy zahŕňajú tri samostatné molekuly rRNA, zatiaľ čo u eukaryotov ribozómy zahŕňajú štyri samostatné molekuly rRNA. Ribozómy pozostávajú z veľkej podjednotky a malej podjednotky. Na začiatku 21. storočia bola zmapovaná kompletná trojrozmerná štruktúra podjednotiek. Na základe tohto dôkazu poskytuje rRNA, nie proteíny, ribozómu v jeho základnej forme a funkcii; biológovia to už dávno tušili. Proteíny v ribozómoch primárne pomáhajú vypĺňať štrukturálne medzery a zvyšujú hlavnú úlohu ribozómu - syntézu proteínov. Syntéza proteínov môže prebiehať aj bez týchto proteínov, ale je to oveľa pomalšie.
De facto hmotnostné jednotky ribozómov sú ich Svedbergove (S) hodnoty, ktoré sú založené na tom, ako rýchlo sa podjednotky usadzujú na dne skúmaviek pod dostredivou silou centrifúgy. Ribozómy eukaryotických buniek majú zvyčajne Svedbergove hodnoty 80S a pozostávajú z podjednotiek 40. a 60. rokov. (všimnite si, že jednotky S zjavne nie sú skutočné hmotnosti; inak by tu matematika nemala zmysel.) Naproti tomu prokaryotické bunky obsahujú ribozómy dosahujúce 70S, rozdelené na 30S a 50S podjednotky.
Proteíny aj nukleové kyseliny, z ktorých každá je vyrobená z podobných, ale nie identických monomérnych jednotiek, majú primárnu, sekundárnu a terciárnu štruktúru. Primárnou štruktúrou RNA je jej usporiadanie jednotlivých nukleotidov, ktoré zase závisí od ich dusíkatých báz. Napríklad písmená AUCGGCAUGC opisujú desať nukleotidový reťazec nukleovej kyseliny (nazývaný „polynukleotid“, ak je tento krátky) so zásadami adenín, uracil, cytozín a guanín. Sekundárna štruktúra RNA popisuje, ako reťazec predpokladá ohyby a zlomy v jednej rovine vďaka elektrochemickým interakciám medzi nukleotidmi. Keby ste dali na stôl šnúrku korálkov a reťaz, ktorá by ich spájala, nebola rovná, pozerali by ste sa na sekundárnu štruktúru korálkov. Nakoniec terciárne zúženie odkazuje na to, ako sa celá molekula usporiada v trojrozmernom priestore. Pokračovaním príkladu s korálikmi ho môžete zdvihnúť zo stola a v ruke ho stlačiť do guľovitého tvaru alebo ho dokonca zložiť do tvaru člna.
Kopať hlbšie do ribozomálneho zloženia
Biochemici boli schopní predpovedať oveľa skôr, ako budú k dispozícii moderné laboratórne metódy súčasnosti sekundárna štruktúra rRNA založená na známej primárnej sekvencii a elektrochemických vlastnostiach jednotlivca základne. Napríklad, bolo naklonené A spárovať sa s U, ak by sa vytvoril výhodný zlom a priviedol ich do tesnej blízkosti? Na začiatku 2000-tych rokov kryštalografická analýza potvrdila mnoho nápadov raných vedcov o forme rRNA, čo pomohlo vniesť ďalšie svetlo do jej funkcie. Napríklad kryštalografické štúdie preukázali, že rRNA sa podieľa na syntéze proteínov a ponúka štrukturálnu podporu, podobne ako proteínová zložka ribozómov. rRNA tvorí väčšinu molekulárnej platformy, na ktorej dochádza k translácii, a má katalytickú aktivitu, čo znamená, že rRNA sa zúčastňuje priamo na syntéze proteínov. To viedlo k tomu, že niektorí vedci používajú na opísanie štruktúry výraz „ribozým“ (t. J. „Ribozómový enzým“) namiesto „ribozóm“.
E. coli baktérie ponúkajú príklad toho, koľko vedcov sa dokázalo dozvedieť o prokaryotickej ribozomálnej štruktúre. Veľká podjednotka alebo LSU E. coli ribozóm pozostáva z odlišných 5S a 23S rRNA jednotiek a 33 proteínov, ktoré sa nazývajú r-proteíny pre „ribsomálny“. Malá podjednotka alebo SSU obsahuje jednu 16S rRNA časť a 21r-proteíny. Zhruba teda povedané, SSU je asi dve tretiny veľkosti LSU. Okrem toho rRNA LSU obsahuje sedem domén, zatiaľ čo rRNA SSU možno rozdeliť do štyroch domén.
RRNA eukaryotických ribozómov má asi o 1 000 viac nukleotidov ako rRNA prokaryotických ribozómov - asi 5 500 vs. 4,500. Keďže E. coli ribozómy obsahujú 54 r-proteínov medzi LSU (33) a SSU (21), eukaryotické ribozómy majú 80 r-proteínov. Eukaryotický ribozóm tiež zahrnuje expanzné segmenty rRNA, ktoré zohrávajú tak štrukturálne úlohy, ako aj úlohy syntézy proteínov.
Funkcia ribozómu: Preklad
Úlohou ribozómu je vytvárať celý rad bielkovín, ktoré organizmus vyžaduje, od enzýmov cez hormóny až po časti buniek a svalov. Tento proces sa nazýva preklad a je to tretia časť centrálnej dogmy molekulárnej biológie: DNA na mRNA (prepis) na proteín (preklad).
Dôvod, ktorý sa nazýva preklad, je ten, že ribozómy, ktoré nechávajú na svoje vlastné zariadenia, k nim nemajú samostatný spôsob „vedieť“, aké bielkoviny treba vyrobiť a koľko, a to napriek tomu, že máte všetky suroviny, vybavenie a pracovnú silu požadovaný. Keď sa vrátime k analógii „centra plnenia“, predstavte si niekoľko tisíc pracovníkov, ktorí plnia uličky a stanice jedného z týchto obrovských miesta, obzeranie sa po hračkách a knihách a športových potrebách, ale nedostanie nijakého smeru z internetu (alebo odkiaľkoľvek inde) o tom, čo robiť. Nič by sa nestalo alebo by pre podnik aspoň nebolo nič produktívne.
Prekladajú sa teda pokyny uvedené v mRNA, ktorá zase dostane kód z DNA v jadre bunky (ak je organizmus eukaryot; prokaryotom chýbajú jadrá). V procese transkripcie je mRNA vyrobená z templátu DNA a nukleotidy sú pridané k DNA rastúci mRNA reťazec zodpovedajúci nukleotidom templátového vlákna DNA na úrovni párovanie báz. A v DNA generuje U v RNA, C generuje G, G generuje C a T generuje A. Pretože sa tieto nukleotidy vyskytujú v lineárnej sekvencii, môžu byť začlenené do skupín po dvoch, troch, desiatich alebo ľubovoľnom počte. Ako sa stáva, skupina troch nukleotidov na molekule mRNA sa nazýva kodón alebo z dôvodu špecifickosti „tripletový kodón“. Každý kodón nesie pokyny pre jednu z 20 aminokyselín, ktoré, ako si spomeniete, sú stavebnými kameňmi bielkovín. Napríklad AUG, CCG a CGA sú všetky kodóny a nesú pokyny na výrobu špecifickej aminokyseliny. Existuje 64 rôznych kodónov (4 bázy zvýšené na výkon 3 sa rovná 64), ale iba 20 aminokyselín; vo výsledku je väčšina aminokyselín kódovaná viac ako jedným tripletom a pár aminokyselín je špecifikovaných šiestimi rôznymi tripletovými kodónmi.
Syntéza proteínov vyžaduje ešte iný typ RNA, tRNA. Tento typ RNA fyzicky privádza aminokyseliny do ribozómu. Ribozóm má tri susedné väzbové miesta pre tRNA, ako napríklad prispôsobené parkovacie miesta. Jedným z nich je aminoacyl väzbové miesto, ktoré je pre molekulu tRNA pripojené k nasledujúcej aminokyseline v proteíne, to znamená k prichádzajúcej aminokyseline. Druhým je peptidyl väzbové miesto, kde sa pripája centrálna molekula tRNA obsahujúca rastúci peptidový reťazec. Tretie a posledné je východ väzobné miesto, kde sa používa, teraz prázdne molekuly tRNA sa vylučujú z ribozómu.
Akonáhle sú aminokyseliny polymerizované a vytvorí sa kostra proteínu, ribozóm uvoľní proteín, ktorý je potom transportovaný v prokaryotoch do cytoplazmy a v eukaryotoch do Golgiho teliesok. Proteíny sú potom úplne spracované a uvoľnené buď vo vnútri alebo mimo bunky, pretože všetky ribozómy produkujú proteíny na lokálne aj vzdialené použitie. Ribozómy sú veľmi účinné; jediný v eukaryotickej bunke môže každú sekundu pridať dve aminokyseliny do rastúceho proteínového reťazca. U prokaryotov pracujú ribozómy takmer zbesilým tempom a každú sekundu pridávajú k polypeptidu 20 aminokyselín.
Poznámka pod čiarou pre evolúciu: U eukaryotov sa ribozómy okrem toho, že sa nachádzajú na vyššie uvedených miestach, nachádzajú aj v mitochondriách u zvierat a chloroplastoch rastlín. Tieto ribozómy sa svojou veľkosťou a zložením veľmi líšia od ostatných ribozómov nachádzajúcich sa v týchto bunkách a sú poslušné prokaryotickým ribozómom bakteriálnych a modrozelených buniek rias. Toto sa považuje za primerane silný dôkaz, že mitochondrie a chloroplasty sa vyvinuli z prokaryotov predkov.