Велики трговци ових дана имају „центре за испуњење захтева“ који обрађују огроман обим онлајн наруџби које добијају из целог света. Овде се у тим складишним структурама појединачни производи што ефикасније проналазе, пакују и шаљу на милионе дестинација. Сићушне структуре зване рибосоми су у ствари центри испуњења ћелијског света, примајући наруџбине за безбројне протеинске производе мессенгер рибонуклеинска киселина (мРНА) и брзо и ефикасно склапање тих производа и кретање тамо где су потребни.
Рибосоми се генерално сматрају органелима, иако пуристи молекуларне биологије понекад истичу да се налазе у прокарионима (већина од којих су бактерије) као и еукариоти и немају мембрану која их раздваја од унутрашњости ћелије, две особине које би могле бити дисквалификујући. У сваком случају, и прокарионтске ћелије и еукариотске ћелије поседују рибозоме чија су структура и функција међу фасцинантније лекције из биохемије, захваљујући томе колико је основних појмова присуство и понашање рибосома подвући.
Од чега су сачињени рибосоми?
Рибосоми се састоје од око 60 процената протеина и око 40 процената рибосомска РНК (рРНК). Ово је занимљив однос с обзиром на то да је за синтезу протеина или превод потребна врста РНК (мессенгер РНА ор мРНА). Дакле, рибосоми су на неки начин попут посластице која се састоји и од немодификованих зрна какаа и од рафиниране чоколаде.
РНК је једна од две врсте нуклеинских киселина које се налазе у свету живих бића, а друга је деоксирибонуклеинска киселина или ДНК. ДНК је злогласнија од њих две, често се помињу не само у редовним научним чланцима већ и у причама о злочинима. Али РНК је заправо свестранији молекул.
Нуклеинске киселине се састоје од мономера или различитих јединица које функционишу као самостални молекули. Гликоген је полимер мономера глукозе, протеини су полимери мономера аминокиселина, а нуклеотиди су мономери од којих настају ДНК и РНК. Нуклеотиди се пак састоје од дела шећера са пет прстенова, дела фосфата и дела азотне базе. У ДНК шећер је деоксирибоза, док је у РНК рибоза; они се разликују само по томе што РНК има -ОХ (хидроксилну) групу где ДНК има -Х (протон), али импликације на импресиван низ функционалности РНК су знатне. Поред тога, док је азотна база и у ДНК нуклеотиду и у РНК нуклеотиду један од четири могућа типа, ови типови у ДНК су аденин, цитозин, гванин и тимин (А, Ц, Г, Т), док је у РНК урацил замењен тимином (А, Ц, Г, У). Коначно, ДНК је готово увек дволанчана, док је РНК једноланчана. Управо та разлика од РНК можда највише доприноси њеној свестраности.
Три главна типа РНК су поменута мРНК и рРНК заједно са преносном РНК (тРНК). Иако је близу половине масе рибосома рРНК, мРНК и тРНК уживају у интимним и незаменљивим односима и са једним и са другим рибосомима.
У еукариотским организмима се рибосоми углавном налазе причвршћени за ендоплазматски ретикулум, мрежу опнастих структура које се најбоље могу упоредити са системом аутопута или железнице за ћелије. Неки еукариотски рибосоми и сви прокариотски рибосоми налазе се слободни у цитоплазми ћелије. Поједине ћелије могу имати од хиљаде до милиона рибозома; као што можете очекивати, ћелије које производе пуно протеинских производа (нпр. ћелије панкреаса) имају већу густину рибозома.
Структура рибосома
У прокариотима, рибосоми укључују три одвојена молекула рРНК, док у еукариотима рибосоми укључују четири одвојена молекула рРНК. Рибосоми се састоје од велике и мале подјединице. Почетком 21. века мапирана је комплетна тродимензионална структура подјединица. На основу ових доказа, рРНК, а не протеини, пружају рибозом основном облику и функцији; биолози су већ дуго сумњали у толико много. Протеини у рибосомима првенствено помажу у попуњавању структурних празнина и појачавају главни посао рибозома - синтезу протеина. Синтеза протеина може да се догоди и без ових протеина, али то чини много споријим темпом.
Де фацто масене јединице рибосома су њихове Сведбергове (С) вредности, које се заснивају на томе колико се брзо подјединице слежу на дно епрувета под центрипеталном силом центрифуге. Рибозоми еукариотских ћелија обично имају Сведбергове вредности од 80С и састоје се од подјединица 40-их и 60-их. (имајте на уму да С јединице очигледно нису стварне масе; у супротном, математика овде не би имала смисла.) Насупрот томе, прокариотске ћелије садрже рибосоме који достижу 70С, подељене на 30С и 50С подјединице.
И протеини и нуклеинске киселине, од којих су сваки направљени од сличних, али не и идентичних мономерних јединица, имају примарну, секундарну и терцијарну структуру. Примарна структура РНК је уређење појединих нуклеотида, што заузврат зависи од њихових азотних база. На пример, слова АУЦГГЦАУГЦ описују десет нуклеотидних низова нуклеинске киселине (зване „полинуклеотид“, када је овако кратка) са базама аденин, урацил, цитозин и гванин. Секундарна структура РНК описује како низ претпоставља савијања и прегибе у једној равни захваљујући електрохемијским интеракцијама између нуклеотида. Ако на сто ставите низ зрна, а ланац који их спаја није био раван, гледали бисте секундарну структуру зрна. Коначно, терцијарна стриктура односи се на то како се цео молекул распоређује у тродимензионални простор. Настављајући са примером перли, могли бисте га подићи са стола и стиснути у облику лопте у руци или чак преклопити у облик чамца.
Копање дубље у рибосомски састав
Пре него што су данашње напредне лабораторијске методе постале доступне, биохемичари су могли да дају предвиђања о томе секундарна структура рРНК на основу познате примарне секвенце и електрохемијских својстава појединца базе. На пример, да ли је А био склон упаривању са У ако би се формирао повољан кинк и довео у непосредну близину? Почетком 2000-их, кристалографска анализа потврдила је многе идеје раних истраживача о облику рРНА, помажући да се даље осветли њена функција. На пример, кристалографске студије су показале да рРНК истовремено учествује у синтези протеина и нуди структурну подршку, слично као протеинска компонента рибосома. рРНА чини већи део молекуларне платформе на којој се јавља транслација и има каталитичку активност, што значи да рРНА учествује директно у синтези протеина. То је довело до тога да су неки научници користили термин „рибозим“ (тј. „Ензим рибозома“) уместо „рибосом“ да би описали структуру.
Е. цоли бактерије нуде пример колико су научници успели да сазнају о рибосомској структури прокариота. Велика подјединица, или ЛСУ, Е. цоли рибосом се састоји од различитих 5С и 23С рРНА јединица и 33 протеина, названих р-протеини за „рибсомал“. Мала подјединица, или ССУ, укључује један део 16С рРНА и 21 р-протеина. Грубо говорећи, ССУ је отприлике две трећине ЛСУ. Поред тога, рРНА ЛСУ укључује седам домена, док се рРНА ССУ може поделити на четири домена.
РРНК еукариотских рибозома има око 1.000 више нуклеотида него рРНК прокарионтских рибозома - око 5.500 вс. 4,500. Док Е. цоли рибосоми садрже 54 р-протеина између ЛСУ (33) и ССУ (21), еукариотски рибосоми имају 80 р-протеина. Еукариотски рибосом такође укључује сегменте ширења рРНК, који играју структурну улогу и улогу синтезе протеина.
Рибосомска функција: Превођење
Посао рибосома је стварање читавог низа протеина који су организму потребни, од ензима преко хормона до делова ћелија и мишића. Овај процес се назива транслација и он је трећи део централне догме молекуларне биологије: ДНК у мРНК (транскрипција) у протеин (превод).
Разлог због којег се ово назива превођење је тај што рибосоми, препуштени сами себи, немају независан пут „знају“ које протеине треба произвести и колико, упркос томе што имају све сировине, опрему и радну снагу потребан. Враћајући се аналогији „центра за испуњење“, замислите да неколико хиљада радника пуни пролазе и станице једног од ових огромних места, гледајући око себе играчке и књиге и спортску робу, али не добијајући смернице са Интернета (или било где другде) о чему урадити. Ништа се не би догодило, или бар ништа продуктивно за посао.
Оно што је преведено, онда су упутства кодирана у мРНК, која заузврат добија код из ДНК у ћелијском језгру (ако је организам еукариот; прокарионима недостају језгра). У процесу транскрипције, мРНК је направљена од ДНК шаблона, а нуклеотиди су додати у растући ланац мРНК који одговара нуклеотидима матрице ДНК ланца на нивоу упаривање базе. А у ДНК генерише У у РНК, Ц генерише Г, Г генерише Ц, а Т генерише А. Будући да се ови нуклеотиди појављују у линеарном низу, могу се уградити у групе од два, три, десет или било који број. Иначе, група од три нуклеотида на молекулу мРНК назива се кодон, или „триплет кодон“ у сврху специфичности. Сваки кодон садржи упутства за једну од 20 аминокиселина, за које ћете се сетити да су грађевни блокови протеина. На пример, АУГ, ЦЦГ и ЦГА су сви кодони и садрже упутства за прављење одређене аминокиселине. Постоји 64 различита кодона (4 базе подигнуте на ниво 3 једнако 64), али само 20 аминокиселина; као резултат тога, већину аминокиселина кодира више од једног триплета, а неколико аминокиселина одређује шест различитих триплет кодона.
Синтеза протеина захтева још један тип РНК, тРНК. Ова врста РНК физички доводи аминокиселине у рибозом. Рибозом има три суседна места везивања за тРНК, попут персонализованих паркинг места. Један је аминоацил место везивања, које је за молекул тРНК везан за следећу аминокиселину у протеину, односно долазну аминокиселину. Други је пептидил место везивања, за које се веже централни молекул тРНК који садржи растући пептидни ланац. Трећи и последњи је излаз место везивања, где се користе, сада се празни молекули тРНК испуштају из рибозома.
Једном када се аминокиселине полимеризују и формира протеинска окосница, рибосом ослобађа протеин, који се затим транспортује у прокарионима у цитоплазму, а у еукариотима у Голгијева тела. Протеини се затим у потпуности обрађују и ослобађају, било унутар или изван ћелије, јер сви рибосоми производе протеине како за локалну тако и за далеку употребу. Рибосоми су врло ефикасни; један у еукариотској ћелији може сваке секунде да дода две аминокиселине растућем ланцу протеина. Код прокариота, рибосоми раде готово махнитим темпом, додајући полипептиду 20 аминокиселина сваке секунде.
Фуснота за еволуцију: У еукариотима, рибосоми, осим што се налазе на горе поменутим местима, могу се наћи и у митохондријима код животиња и хлоропластима биљака. Ови рибозоми се по величини и саставу веома разликују од осталих рибозома који се налазе у овим ћелијама и слушају прокариотске рибозоме бактерија и плаво-зелених ћелија алги. Ово се сматра прилично јаким доказом да су митохондрији и хлоропласти еволуирали од предака прокариота.