В наши дни крупные ритейлеры имеют «центры исполнения заказов» для обработки огромного количества онлайн-заказов, которые они получают со всего мира. Здесь, в подобных складских структурах, отдельные продукты отслеживаются, упаковываются и отправляются в миллионы пунктов назначения максимально эффективно. Крошечные структуры, называемые рибосомами, в действительности являются центрами выполнения в клеточном мире, получая заказы на бесчисленные белковые продукты из рибонуклеиновой кислоты (мРНК) и быстро и эффективно собирая эти продукты и направляя их туда, где они необходимы.

Рибосомы обычно считаются органеллами, хотя пуристы молекулярной биологии иногда указывают, что они обнаружены у прокариот (большинство из которых - бактерии), а также у эукариот и не имеют мембраны, отделяющей их от внутренней части клетки, что может быть дисквалифицирующим фактором. В любом случае, как прокариотические клетки, так и эукариотические клетки обладают рибосомами, структура и функция которых являются одними из самых увлекательных уроков биохимии благодаря тому, как много фундаментальных концепций подчеркивают присутствие и поведение рибосом.

Основы рибосомы

Рибосомы состоят из около 60 процентов белка и около 40 процентов рибосомальной РНК (рРНК). Это интересное соотношение, учитывая, что для синтеза или трансляции белка необходим тип РНК (мессенджер РНК или мРНК). Таким образом, рибосомы, в некотором смысле, похожи на десерт, состоящий как из немодифицированных какао-бобов, так и из изысканного шоколада.

РНК - это один из двух типов нуклеиновых кислот, встречающихся в мире живых существ, другой является дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК. ДНК является наиболее печально известной из двух, часто упоминается не только в основных научных статьях, но и в криминальных историях. Но РНК на самом деле является более универсальной молекулой.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров или отдельных единиц, которые функционируют как отдельные 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 сахарной части с пятью кольцами, фосфатной части и азотистой основной части. В ДНК сахар является дезоксирибозой, тогда как в РНК это рибоза; они отличаются только тем, что РНК имеет -OH (гидроксильную) группу, в которой ДНК имеет -H (протон), но последствия для впечатляющего множества 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 представляют собой аденин, цитозин, гуанин и тимин (A, C, G, T), тогда как в РНК урацил замещен для тимина (A, C, G, U). Наконец, ДНК почти всегда двухцепочечная, а РНК одноцепочечная. Именно это отличие от РНК, возможно, вносит основной вклад в универсальность РНК.

Три основных типа РНК - это вышеупомянутые мРНК и рРНК вместе с трансферной РНК (тРНК). Хотя почти половина массы рибосом составляет рРНК, мРНК и тРНК имеют тесные и необходимые отношения как с рибосомами, так и друг с другом.

В эукариотических организмах рибосомы в основном обнаруживаются прикрепленными к эндоплазматическому ретикулуму, сети мембранных структур, которые для клеток лучше всего сравнивать с шоссейной или железнодорожной системой. Некоторые эукариотические рибосомы и все прокариотические рибосомы обнаружены свободными в цитоплазме клетки. Отдельные клетки могут иметь от тысячи до миллионов рибосом; как можно ожидать, клетки, которые продуцируют много белковых продуктов (например, клетки поджелудочной железы), имеют более высокую плотность рибосом.

Основы рибосомальной структуры

У прокариот рибосомы включают три отдельные молекулы рРНК, тогда как у эукариот рибосомы включают четыре отдельные молекулы рРНК. Рибосомы состоят из большой субъединицы и маленькой субъединицы. В начале XXI века была нанесена полная трехмерная структура подразделений. Основываясь на этих данных, рРНК, а не белки, обеспечивает рибосому своей основной формой и функцией; биологи давно подозревали об этом. Белки в рибосомах в первую очередь помогают заполнить структурные пробелы и усиливают основную работу рибосомы - синтез белков. Синтез белка может происходить без этих белков, но происходит гораздо медленнее.

Де-факто единицами массы рибосом являются их значения Сведберга (S), которые основаны на том, как быстро субъединицы оседают на дно пробирок под центростремительной силой центрифуги. Рибосомы эукариотических клеток обычно имеют значения Сведберга 80S и состоят из 40-х и 60-х субъединиц. (обратите внимание, что единицы S явно не являются действительными массами; в противном случае математика здесь не имела бы смысла.) В отличие от этого, прокариотические клетки содержат рибосомы, достигающие 70S, разделенные на субъединицы 30S и 50S.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты, каждая из которых состоит из одинаковых, но не идентичных мономерных звеньев, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичной структурой РНК является ее порядок отдельных нуклеотидов, который, в свою очередь, зависит от их азотистых оснований. Например, буквы AUCGGCAUGC описывают последовательность из десяти нуклеотидов нуклеиновой кислоты (называемой «полинуклеотид», когда она такая короткая) с основаниями аденина, урацила, цитозина и гуанина. Вторичная структура РНК описывает, как струна принимает изгибы и изгибы в одной плоскости благодаря электрохимическим взаимодействиям между нуклеотидами. Если вы положите на стол нитку бус и цепочка, соединяющая их, не будет прямой, вы будете смотреть на вторичную структуру бус. Наконец, третичная стриктура относится к тому, как вся молекула располагается в трехмерном пространстве. Продолжая пример с бусинками, вы можете взять его со стола и сжать в руке в форме шарика, или даже сложить в форме лодки.

Копаем глубже в рибосомную композицию

Задолго до того, как стали доступны современные лабораторные методы, биохимики смогли сделать предсказания о вторичной структуре рРНК на основе известной первичной последовательности и электрохимических свойств отдельных оснований. Например, был ли A склонен к спариванию с U, если образовался выгодный излом и приблизил их? В начале 2000-х годов кристаллографический анализ подтвердил многие идеи ранних исследователей о форме рРНК, что помогло пролить дополнительный свет на ее функцию. Например, кристаллографические исследования показали, что рРНК участвует в синтезе белка и обеспечивает 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» (то есть «фермент рибосома») вместо «рибосома» для описания структуры.

Бактерии кишечной палочки дают пример того, как ученые смогли узнать о рибосомальной структуре прокариот. Большая субъединица, или LSU, рибосомы E. coli состоит из отдельных 5S и 23S рРНК-звеньев и 33 белков, называемых r-белками для «рибсомала». Малая субъединица, или SSU, включает одну часть 16S рРНК и 21 р-белок. Грубо говоря, SSU составляет около двух третей размера LSU. Кроме того, рРНК LSU включает в себя семь доменов, а рРНК SSU можно разделить на четыре домена.

РРНК эукариотических рибосом содержит примерно на 1000 нуклеотидов больше, чем рРНК прокариотических рибосом - около 5500 против 4500. Принимая во внимание, что рибосомы E.coli содержат 54 r-белка между LSU (33) и SSU (21), эукариотические рибосомы имеют 80 r-белков. Эукариотическая рибосома также включает сегменты расширения рРНК, которые играют как структурную, так и белковую роль.

Функция рибосомы: перевод

Работа рибосомы заключается в создании целого ряда белков, необходимых организму, от ферментов до гормонов, до 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 переводом, заключается в том, что рибосомы, предоставленные самим себе, не имеют независимого способа «узнать», какие белки и сколько производить, несмотря на то, что у них есть все необходимое сырье, оборудование и рабочая сила. Возвращаясь к аналогии с «центром исполнения», представьте, как несколько тысяч рабочих заполняют проходы и станции одного из этих огромных мест, оглядываются на игрушки, книги и спортивные товары, но не получают никакого указания от Интернета (или откуда-либо еще) о том, что сделать. Ничего не произойдет, или, по крайней мере, ничего продуктивного для бизнеса.

Таким образом, переводятся инструкции, закодированные в мРНК, которая, в свою очередь, получает код от ДНК в ядре клетки (если организм является эукариотом; у прокариот отсутствует ядро). В процессе транскрипции мРНК образуется из матрицы ДНК, причем нуклеотиды добавляются к растущей цепи мРНК, соответствующей нуклеотидам цепи ДНК-матрицы на уровне спаривания оснований. A в ДНК генерирует U в РНК, C генерирует G, G генерирует C и T генерирует A. Поскольку эти нуклеотиды появляются в линейной последовательности, они могут быть объединены в группы из двух, трех, десяти или любого числа. Как это бывает, 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, AUG, CCG и CGA являются кодонами и несут инструкции по получению определенной аминокислоты. Есть 64 различных кодона (4 основания, возведенные в степень 3 равны 64), но только 20 аминокислот; в результате большинство аминокислот кодируются 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 в рибосому. Рибосома имеет три соседних сайта связывания тРНК, например, персонализированные парковочные места. Одним из них является сайт связывания аминоацила, который предназначен для молекулы тРНК, присоединенной к следующей аминокислоте в белке, то есть к входящей аминокислоте. Вторым является сайт связывания пептидила, к которому присоединяется центральная молекула тРНК, содержащая растущую пептидную цепь. Третьим и последним является выходной сайт связывания, где используются, теперь пустые молекулы тРНК, выгружаются из рибосомы.

Как только аминокислоты полимеризуются и образуется основная цепь белка, рибосома высвобождает белок, который затем транспортируется в прокариотах в цитоплазму и в эукариотах в тела Гольджи. Затем белки полностью обрабатываются и высвобождаются либо внутри, либо снаружи клетки, поскольку все рибосомы продуцируют белки как для местного, так и для отдаленного использования. Рибосомы очень эффективны; один в эукариотической клетке может добавлять две аминокислоты в растущую цепь белка каждую секунду. У прокариот рибосомы работают почти безумно, добавляя 20 аминокислот к полипептиду каждую секунду.

Сноска об эволюции: у эукариот рибосомы, помимо того, что они находятся в вышеупомянутых местах, также могут быть обнаружены в митохондриях животных и хлоропластах растений. Эти рибосомы очень отличаются по размеру и составу от других рибосом, обнаруженных в этих клетках, и прислушиваются к прокариотическим рибосомам клеток бактериальных и сине-зеленых водорослей. Это считается достаточно убедительным доказательством того, что митохондрии и хлоропласты произошли от наследственных прокариот.