Stora återförsäljare har idag "fullgörande centra" för att hantera den stora volymen onlinebeställningar de får från hela världen. Här, i dessa lagerliknande strukturer, spåras enskilda produkter, förpackas och transporteras till miljontals destinationer så effektivt som möjligt. Små strukturer som kallas ribosomer är i själva verket cellvärldens uppfyllande centra och får order på otaliga proteinprodukter från budbärarribonukleinsyra (mRNA) och snabbt och effektivt sätta ihop dessa produkter och på väg dit de behövs.
Ribosomer anses allmänt som organeller, även om molekylärbiologiska purister ibland påpekar att de finns i prokaryoter (de flesta av vilka är bakterier) såväl som eukaryoter och saknar ett membran som skiljer dem från cellens inre, två egenskaper som kan vara diskvalificerande. I vilket fall som helst har både prokaryota celler och eukaryota celler ribosomer, vars struktur och funktion är bland mer fascinerande lektioner i biokemi på grund av hur många grundläggande begrepp ribosomernas närvaro och beteende understryka.
Vad är ribosomer gjorda av?
Ribosomer består av cirka 60 procent protein och cirka 40 procent ribosomalt RNA (rRNA). Detta är ett intressant förhållande med tanke på att en typ av RNA (budbärar-RNA eller mRNA) krävs för proteinsyntes eller översättning. Så på ett sätt är ribosomer som en efterrätt som består av både omodifierade kakaobönor och raffinerad choklad.
RNA är en av två typer av nukleinsyror som finns i världen av levande saker, den andra är deoxiribonukleinsyra eller DNA. DNA är den mest ökända av de två, ofta nämns inte bara i vanliga vetenskapliga artiklar utan också i brotthistorier. Men RNA är faktiskt den mer mångsidiga molekylen.
Nukleinsyror består av monomerer, eller distinkta enheter som fungerar som fristående molekyler. Glykogen är en polymer av glukosmonomerer, proteiner är polymerer av aminosyramonomerer och nukleotider är de monomerer som DNA och RNA framställs från. Nukleotider består i sin tur av en sockerdel med fem ringar, en fosfatdel och en kvävehaltig del. I DNA är sockret deoxiribos, medan det i RNA är ribos; dessa skiljer sig bara genom att RNA har en -OH (hydroxyl) grupp där DNA har en -H (en proton), men konsekvenserna för RNA: s imponerande funktionalitet är betydande. Dessutom, medan den kvävehaltiga basen i både en DNA-nukleotid och en RNA-nukleotid är en av fyra möjliga typer, dessa typer i DNA är adenin, cytosin, guanin och tymin (A, C, G, T) medan i RNA är uracil ersatt av tymin (A, C, G, U). Slutligen är DNA nästan alltid dubbelsträngat, medan RNA är enkelsträngat. Det är denna skillnad från RNA som kanske bidrar mest till RNA: s mångsidighet.
De tre huvudtyperna av RNA är ovannämnda mRNA och rRNA tillsammans med överförings-RNA (tRNA). Medan nästan hälften av massan av ribosomer är rRNA, har båda mRNA och tRNA intima och oumbärliga relationer med både ribosomer och varandra.
I eukaryota organismer finns ribosomer mestadels fästa vid det endoplasmatiska retikulumet, ett nätverk av membranstrukturer som bäst liknas vid ett motorvägs- eller järnvägssystem för celler. Vissa eukaryota ribosomer och alla prokaryota ribosomer finns fria i cellens cytoplasma. Enskilda celler kan ha från tusentals till miljoner ribosomer; som du förväntar dig har celler som producerar mycket proteinprodukter (t.ex. bukspottkörtelceller) en högre densitet av ribosomer.
Ribosomernas struktur
I prokaryoter inkluderar ribosomer tre separata rRNA-molekyler, medan ribosomer i eukaryoter inkluderar fyra separata rRNA-molekyler. Ribosomer består av en stor underenhet och en liten underenhet. I början av 2000-talet kartläggdes underenheternas fullständiga tredimensionella struktur. Baserat på detta bevis ger rRNA, inte proteiner, ribosomen sin grundform och funktion; biologer hade länge misstänkt så mycket. Proteinerna i ribosomer hjälper främst till att fylla i strukturella luckor och förstärka ribosomens huvuduppgift - syntes av proteiner. Proteinsyntes kan ske utan dessa proteiner, men gör det i mycket långsammare takt.
De facto-massenheterna för ribosomer är deras Svedberg (S) -värden, vilka är baserade på hur snabbt underenheterna sätter sig till botten av provrören under centripetalkraften i en centrifug. Ribosomerna i eukaryota celler har vanligtvis Svedberg-värden på 80S och består av underenheter från 40- och 60-talet. (notera att S-enheter helt klart inte är faktiska massor; annars skulle matematiken här inte ge någon mening.) Däremot innehåller prokaryota celler ribosomer som når 70S, uppdelade i 30S- och 50S-underenheter.
Både proteiner och nukleinsyror, som var och en består av liknande men inte identiska monomerenheter, har en primär, sekundär och tertiär struktur. Den primära strukturen för RNA är dess ordning av enskilda nukleotider, vilket i sin tur beror på deras kvävebaser. Exempelvis beskriver bokstäverna AUCGGCAUGC en tio-nukleotidsträng av nukleinsyra (kallad "polynukleotid" när den är så kort) med baserna adenin, uracil, cytosin och guanin. Den sekundära strukturen för RNA beskriver hur strängen antar böjningar och knakar i ett enda plan tack vare elektrokemiska interaktioner mellan nukleotiderna. Om du lägger en sträng pärlor på ett bord och kedjan som förenar dem inte var rak, skulle du titta på pärlernas sekundära struktur. Slutligen hänvisar tertiär striktur till hur hela molekylen ordnar sig i ett tredimensionellt utrymme. Fortsätt med pärlaxemplet, du kan plocka upp det från bordet och komprimera det till en kulliknande form i din hand eller till och med vika den till en båtform.
Gräva djupare i ribosomal komposition
Långt innan dagens avancerade laboratoriemetoder blev tillgängliga kunde biokemister göra förutsägelser om den sekundära strukturen av rRNA baserat på den kända primära sekvensen och individens elektrokemiska egenskaper baser. Var A till exempel benägen att para ihop sig med U om en fördelaktig kink bildades och förde dem nära? I början av 2000-talet bekräftade kristallografisk analys många av de tidiga forskarnas idéer om rRNAs form, vilket hjälpte till att ytterligare belysa dess funktion. Till exempel visade de kristallografiska studierna att rRNA både deltar i proteinsyntes och erbjuder strukturellt stöd, ungefär som ribosomernas proteinkomponent. rRNA utgör det mesta av den molekylära plattformen på vilken translation sker och har katalytisk aktivitet, vilket innebär att rRNA deltar direkt i proteinsyntes. Detta har lett till att vissa forskare använder termen "ribozym" (dvs. "ribosomeenzym") istället för "ribosom" för att beskriva strukturen.
E. coli bakterier är ett exempel på hur mycket forskare har kunnat lära sig om prokaryot ribosomstruktur. Den stora underenheten, eller LSU, till E. coli ribosom består av distinkta 5S- och 23S-rRNA-enheter och 33 proteiner, kallade r-proteiner för "ribsomal." Den lilla underenheten, eller SSU, inkluderar en 16S rRNA-del och 21 r-proteiner. Grovt sett är SSU ungefär två tredjedelar av LSU: s storlek. Dessutom innehåller LSU: s rRNA sju domäner, medan SSU: s rRNA kan delas in i fyra domäner.
RRNA för eukaryota ribosomer har cirka 1000 fler nukleotider än rRNA för prokaryota ribosomer - cirka 5 500 vs. 4,500. Medan E. coli ribosomer har 54 r-proteiner mellan LSU (33) och SSU (21), eukaryota ribosomer har 80 r-proteiner. Den eukaryota ribosomen inkluderar också rRNA-expansionssegment, som spelar både strukturella och proteinsyntesroller.
Ribosomfunktion: översättning
Ribosomens jobb är att göra hela spektret av proteiner som en organism behöver, från enzymer till hormoner till delar av celler och muskler. Denna process kallas översättning, och det är den tredje delen av den centrala dogmen inom molekylärbiologi: DNA till mRNA (transkription) till protein (översättning).
Anledningen till att detta kallas översättning är att ribosomerna, som lämnas till sina egna enheter, inte har något oberoende sätt att göra det "vet" vilka proteiner du ska göra och hur mycket, trots att du har alla råvaror, utrustning och arbetskraft nödvändig. Återgå till "fullgörandecentrets" analogi, föreställ dig några tusen arbetare som fyller gångarna och stationerna på en av dessa enorma platser, tittar runt på leksaker och böcker och sportartiklar men får ingen riktning från Internet (eller från någon annanstans) om vad att göra. Ingenting skulle hända, eller åtminstone inget produktivt för verksamheten.
Vad som översätts är alltså instruktionerna kodade i mRNA, som i sin tur får koden från DNA i cellens kärna (om organismen är en eukaryot; prokaryoter saknar kärnor). Under transkriptionsprocessen är mRNA gjord av en DNA-mall, med nukleotiderna tillsatta till växande mRNA-kedja motsvarande nukleotiderna i mall-DNA-strängen på nivån av basparning. A i DNA genererar U i RNA, C genererar G, G genererar C och T genererar A. Eftersom dessa nukleotider uppträder i en linjär sekvens kan de införlivas i grupper om två, tre, tio eller valfritt antal. När det händer kallas en grupp med tre nukleotider på en mRNA-molekyl ett kodon eller "triplettkodon" för specificitetsändamål. Varje kodon innehåller instruktionerna för en av 20 aminosyror, som du kommer ihåg är byggstenarna i proteiner. AUG, CCG och CGA är till exempel kodoner och innehåller instruktionerna för framställning av en specifik aminosyra. Det finns 64 olika kodoner (4 baser höjda till kraften 3 är lika med 64) men endast 20 aminosyror; som ett resultat kodas de flesta aminosyrorna av mer än en triplett, och ett par aminosyror specificeras av sex olika triplettkodoner.
Proteinsyntes kräver ännu en annan typ av RNA, tRNA. Denna typ av RNA tar fysiskt aminosyrorna till ribosomen. En ribosom har tre intilliggande tRNA-bindningsställen, som personliga parkeringsplatser. En är aminoacyl bindningsställe, som är för tRNA-molekylen bunden till nästa aminosyra i proteinet, det vill säga den inkommande aminosyran. Den andra är peptidyl bindningsställe, där den centrala tRNA-molekylen som innehåller den växande peptidkedjan fäster. Den tredje och sista är en utgång bindningsställe, där det används, nu tömda tRNA-molekyler matas ut från ribosomen.
När aminosyrorna väl har polymeriserats och en proteinkedja har bildats, frigör ribosomen proteinet, som sedan transporteras i prokaryoter till cytoplasman och i eukaryoter till Golgi-kropparna. Proteinerna bearbetas sedan helt och släpps, antingen inom eller utanför cellen, eftersom alla ribosomer producerar proteiner för både lokal och fjärran användning. Ribosomer är mycket effektiva; en enda i en eukaryot cell kan lägga till två aminosyror i en växande proteinkedja varje sekund. I prokaryoter fungerar ribosomer i nästan hektisk takt och tillsätter 20 aminosyror till en polypeptid varje sekund.
En fotnot för evolution: I eukaryoter finns ribosomer, förutom att de ligger i de ovannämnda fläckarna, också i mitokondrierna hos djur och växter med kloroplaster. Dessa ribosomer är mycket olika i storlek och sammansättning från andra ribosomer som finns i dessa celler och lyssnar på de prokaryota ribosomerna från bakterie- och blågröna alger. Detta anses vara ganska starkt bevis för att mitokondrier och kloroplaster utvecklats från förfädernas prokaryoter.