Danes imajo veliki trgovci na drobno "centre za izpolnjevanje", ki urejajo ogromno število spletnih naročil, ki jih prejmejo po vsem svetu. Tu v teh skladiščnih strukturah posamezne izdelke kar se da učinkovito izsledijo, pakirajo in odpremijo na milijone destinacij. Drobne strukture, imenovane ribosomi, so v resnici izpolnjevalni centri celičnega sveta in od njih prejemajo naročila za nešteto beljakovinskih izdelkov messenger ribonukleinska kislina (mRNA) ter hitro in učinkovito sestavljanje teh izdelkov in pot do kraja, kjer so potrebni.
Ribozomi se na splošno štejejo za organele, čeprav puristi molekularne biologije včasih poudarjajo, da jih najdemo v prokariontih (večina bakterije), pa tudi evkarionti in nimajo membrane, ki bi jih ločevala od celične notranjosti, dve lastnosti, ki bi jih lahko diskvalificiranje. V vsakem primeru imajo tako prokariontske kot evkariontske celice ribosome, katerih struktura in funkcija spadajo med bolj zanimive lekcije iz biokemije, zaradi tega, koliko temeljnih konceptov sta prisotnost in vedenje ribosomov podčrtaj.
Iz česa so narejeni ribosomi?
Ribosomi sestavljajo približno 60 odstotkov beljakovin in približno 40 odstotkov ribosomska RNA (rRNA). To je zanimivo razmerje glede na to, da je za sintezo ali prevajanje beljakovin potrebna vrsta RNA (messenger RNA ali mRNA). Tako so ribosomi na nek način kot sladica, sestavljena tako iz nespremenjenih kakavovih zrn kot iz rafinirane čokolade.
RNA je ena od dveh vrst nukleinskih kislin, ki jih najdemo v svetu živih bitij, druga pa je deoksiribonukleinska kislina ali DNA. DNA je bolj razvpita od obeh, pogosto se omenja ne samo v splošnih znanstvenih člankih, temveč tudi v kriminalnih zgodbah. Toda RNA je pravzaprav bolj vsestranska molekula.
Nukleinske kisline so sestavljene iz monomerov ali ločenih enot, ki delujejo kot samostojne molekule. Glikogen je polimer glukoznih monomerov, beljakovine so polimeri aminokislinskih monomerov, nukleotidi pa so monomeri, iz katerih nastajajo DNA in RNA. Nukleotidi so nato sestavljeni iz petobročnega sladkornega dela, fosfatnega in dušikovega osnovnega dela. V DNK je sladkor deoksiriboza, v RNK pa riboza; te se razlikujejo le po tem, da ima RNA skupino -OH (hidroksil), kjer ima DNA -H (proton), vendar so posledice za impresivno paleto funkcionalnosti RNA precejšnje. Poleg tega je dušikova baza v nukleotidu DNA in nukleotidu RNA ena od štirih možnih vrst, vrste v DNA so adenin, citozin, gvanin in timin (A, C, G, T), medtem ko je v RNK uracin nadomeščen s timinom (A, C, G, U). Končno je DNA skoraj vedno dvoverižna, medtem ko je RNA enoverižna. Prav ta razlika od RNA morda najbolj prispeva k vsestranskosti RNA.
Tri glavne vrste RNA so zgoraj omenjena mRNA in rRNA skupaj s prenosno RNA (tRNA). Medtem ko je skoraj polovica mase ribosomov rRNA, mRNA in tRNA uživata tesne in nepogrešljive odnose tako z ribosomi kot med seboj.
V evkariontskih organizmih so ribosomi večinoma pritrjeni na endoplazemski retikulum, mrežo membranskih struktur, ki jih celice najbolje primerjajo z avtocestnim ali železniškim sistemom. Nekateri evkariontski ribosomi in vsi prokariontski ribosomi so prosti v citoplazmi celice. Posamezne celice imajo lahko od tisoč do milijone ribosomov; kot lahko pričakujete, imajo celice, ki proizvajajo veliko beljakovinskih produktov (npr. celice trebušne slinavke) večjo gostoto ribosomov.
Struktura ribosomov
V prokariontih ribosomi vključujejo tri ločene molekule rRNA, medtem ko v evkariontih ribosomi vključujejo štiri ločene molekule rRNA. Ribosomi so sestavljeni iz velike in majhne podenote. Na začetku 21. stoletja je bila kartirana celotna tridimenzionalna struktura podenot. Na podlagi teh dokazov rRNA, ne beljakovine, daje ribosomu njegovo osnovno obliko in funkcijo; biologi so že dolgo sumili toliko. Beljakovine v ribosomih pomagajo predvsem zapolniti strukturne vrzeli in izboljšajo glavno nalogo ribosoma - sintezo beljakovin. Brez teh beljakovin lahko pride do sinteze beljakovin, vendar to veliko počasneje.
Dejanske masne enote ribosomov so njihove vrednosti Svedberg (S), ki temeljijo na tem, kako hitro se podenote usedejo na dno epruvet pod centripetalno silo centrifuge. Ribosomi evkariontskih celic imajo običajno Svedbergove vrednosti 80S in so sestavljene iz podenot 40 in 60. (upoštevajte, da enote S očitno niso dejanske mase; v nasprotnem primeru tu matematika ne bi imela smisla.) Nasprotno pa prokariontske celice vsebujejo ribosome, ki dosežejo 70S, razdeljene na 30S in 50S podenoti.
Tako beljakovine kot nukleinske kisline, ki so izdelane iz podobnih, a ne enakih monomernih enot, imajo primarno, sekundarno in terciarno strukturo. Primarna struktura RNA je urejanje posameznih nukleotidov, kar pa je odvisno od njihovih dušikovih baz. Na primer, črke AUCGGCAUGC opisujejo deset nukleotidni niz nukleinske kisline (imenovan "polinukleotid", ko je ta kratek) z bazami adenin, uracil, citozin in gvanin. Sekundarna struktura RNA opisuje, kako struna prevzame upogibe in pregibe v eni ravnini, zahvaljujoč elektrokemičnim interakcijam med nukleotidi. Če na mizo položite niz kroglic in veriga, ki se jim pridružuje, ni ravna, boste gledali sekundarno strukturo kroglic. Končno, terciarna striktura se nanaša na to, kako se celotna molekula razporedi v tridimenzionalnem prostoru. Če nadaljujemo s primerom kroglic, ga lahko dvignete z mize in v roki stisnete v obliko krogle ali ga celo zložite v čoln.
Kopanje globlje v ribosomsko sestavo
Preden so bile današnje napredne laboratorijske metode na voljo, so biokemiki lahko napovedovali sekundarna struktura rRNA na podlagi znanega primarnega zaporedja in elektrokemijskih lastnosti posameznika baze. Ali se je na primer A nagnil k seznanjanju z U, če bi se oblikoval ugoden pregib in jih pripeljal v bližino? V zgodnjih 2000-ih je kristalografska analiza potrdila številne ideje zgodnjih raziskovalcev o obliki rRNA in pomagala osvetliti njeno delovanje. Na primer, kristalografske študije so pokazale, da rRNA sodeluje pri sintezi beljakovin in nudi strukturno podporo, podobno kot proteinska komponenta ribosomov. rRNA tvori večino molekularne platforme, na kateri pride do prevajanja, in ima katalitično aktivnost, kar pomeni, da rRNA neposredno sodeluje v sintezi beljakovin. To je privedlo do tega, da so nekateri znanstveniki za opis strukture uporabili izraz "ribozim" (tj. "Encim ribosoma") namesto "ribosom".
E. coli bakterije ponujajo primer tega, koliko znanstveniki so se lahko naučili o ribosomski strukturi prokariota. Velika podenota ali LSU E. coli ribosom je sestavljen iz različnih enot 5R in 23S rRNA ter 33 beljakovin, imenovanih r-beljakovine za "ribsomske". Majhna podenota ali SSU vključuje en del 16S rRNA in 21 r-proteinov. Grobo rečeno, SSU je torej približno dve tretjini LSU. Poleg tega rRNA LSU vključuje sedem domen, medtem ko lahko rRNA SSU razdelimo na štiri domene.
RRNA evkariontskih ribosomov ima približno 1.000 več nukleotidov kot rRNA prokariontskih ribosomov - približno 5.500 vs. 4,500. Ker E. coli ribosomi vsebujejo 54 r-proteinov med LSU (33) in SSU (21), evkariontski ribosomi imajo 80 r-proteinov. Eukariontski ribosom vključuje tudi segmente ekspanzije rRNA, ki imajo tako strukturno vlogo kot sintezo beljakovin.
Funkcija ribosoma: prevajanje
Naloga ribosoma je ustvariti celo vrsto beljakovin, ki jih organizem potrebuje, od encimov do hormonov do delov celic in mišic. Ta proces se imenuje translacija in je tretji del osrednje dogme molekularne biologije: DNA v mRNA (transkripcija) v beljakovine (prevod).
Razlog, da se temu reče prevod, je, da ribosomi, prepuščeni sami sebi, nimajo samostojne poti "vedeti", katere beljakovine naj izdelajo in koliko, kljub razpoložljivosti vseh surovin, opreme in delovne sile zahteva. Če se vrnemo k analogiji "centra za izpolnitev", si predstavljamo, da nekaj tisoč delavcev polni prehode in postaje ene od teh ogromnih krajih, se ozirajo po igračah in knjigah ter športni opremi, a od interneta (ali od koder koli drugega) ne dobijo napotkov o tem narediti. Nič se ne bi zgodilo ali vsaj nič produktivnega za podjetje.
Prevedena so torej navodila, kodirana v mRNA, ki nato dobi kodo iz DNA v celičnem jedru (če je organizem evkarion; prokarionti nimajo jeder). V procesu transkripcije mRNA nastane iz vzorca DNA, pri čemer se nukleotidi dodajo v rastoča veriga mRNA, ki ustreza nukleotidom vzorčne verige DNA na ravni osnovno seznanjanje. A v DNA generira U v RNA, C generira G, G generira C in T generira A. Ker se ti nukleotidi pojavljajo v linearnem zaporedju, jih lahko vključimo v skupine po dve, tri, deset ali katero koli število. Kot se zgodi, se skupina treh nukleotidov na molekuli mRNA zaradi specifičnosti imenuje kodon ali "tripletni kodon". Vsak kodon vsebuje navodila za eno od 20 aminokislin, za katere se spomnite, da so gradniki beljakovin. Na primer, AUG, CCG in CGA so vsi kodoni in vsebujejo navodila za izdelavo določene aminokisline. Obstaja 64 različnih kodonov (4 baze dvignjene na moč 3 enake 64), vendar le 20 aminokislin; posledično večino aminokislin kodira več kot en triplet, nekaj aminokislin pa šest različnih triplet kodonov.
Za sintezo beljakovin je potrebna še ena vrsta RNA, tRNA. Ta vrsta RNA fizično pripelje aminokisline v ribosom. Ribosom ima tri sosednja mesta vezave tRNA, na primer prilagojena parkirna mesta. Eno je aminoacil vezno mesto, ki je za molekulo tRNA, pritrjeno na naslednjo aminokislino v beljakovini, to je na vhodno aminokislino. Drugi je peptidil vezno mesto, kjer se pritrdi osrednja molekula tRNA, ki vsebuje rastočo peptidno verigo. Tretji in zadnji je izhod vezno mesto, kjer se uporabljajo, se zdaj prazne molekule tRNA odvajajo iz ribosoma.
Ko se aminokisline polimerizirajo in tvorijo beljakovinsko hrbtenico, ribosom sprosti protein, ki se nato s prokarionti prenese v citoplazmo in z evkarionti v Golgijeva telesa. Nato se beljakovine popolnoma predelajo in sprostijo znotraj ali zunaj celice, saj vsi ribosomi proizvajajo beljakovine tako za lokalno kot tudi za daljno uporabo. Ribosomi so zelo učinkoviti; en sam v evkariontski celici lahko vsako sekundo dodaja dve aminokislini v rastočo beljakovinsko verigo. Pri prokariontih ribosomi delujejo skoraj podivjano in vsako sekundo dodajo 20 aminokislin polipeptidu.
Evolucijska opomba: pri evkariontih lahko ribosome, poleg tega, da se nahajajo na zgoraj omenjenih mestih, najdemo tudi v mitohondrijih pri živalih in kloroplastih rastlin. Ti ribosomi se po velikosti in sestavi zelo razlikujejo od drugih ribosomov, ki jih najdemo v teh celicah, in poslušajo prokariontske ribosome bakterijskih in modrozelenih alg. To velja za dokaj močan dokaz, da so se mitohondriji in kloroplasti razvili iz prokariontov prednikov.
