Biologia molekularna zajmuje się badaniem struktury i funkcji cząsteczek substancji organicznych, które tworzą żywe komórki roślin, zwierząt i ludzi. Szczególne miejsce wśród nich zajmuje grupa związków zwanych kwasami nukleinowymi (jądrowymi).
Istnieją dwa rodzaje: kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy. Ten ostatni ma kilka modyfikacji: i-RNA, t-RNA i r-RNA, które różnią się funkcjami i lokalizacją w komórce. Artykuł poświęcony jest badaniu następujących pytań: gdzie rRNA jest syntetyzowane w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych, jaka jest jego struktura i znaczenie.
Tło historyczne
Pierwsze naukowe wzmianki o kwasie rybosomalnym można znaleźć w badaniach R. Weinberga i S. Penmana w latach 60. XX wieku, którzy opisali krótkie cząsteczki polinukleotydowe, spokrewnione z kwasami rybonukleinowymi, ale różniące się budową przestrzenną i współczynnik sedymentacji z informacyjnego i transportowego RNA. Najczęściej ich cząsteczkiznajduje się w jąderku, a także w organellach komórkowych – rybosomach odpowiedzialnych za syntezę białka komórkowego. Nazywano je rybosomalnymi (rybosomalne kwasy rybonukleinowe).
Charakterystyka RNA
Kwas rybonukleinowy, podobnie jak DNA, jest polimerem, którego monomery to nukleotydy 4 typów: adenina, guanina, uracyl i cytydyna, połączone wiązaniami fosfodiestrowymi w długie, jednoniciowe cząsteczki, skręcone w formie spiralne lub mające bardziej złożone konformacje. Istnieją również dwuniciowe rybosomalne kwasy rybonukleinowe występujące w wirusach zawierających RNA i powielające funkcje DNA: zachowanie i przenoszenie cech dziedzicznych.
Trzy rodzaje kwasów występują najczęściej w komórce, są to: macierzowy lub informacyjny RNA, transportujący kwas rybosomalny rybonukleinowy, do którego przyłączone są aminokwasy, a także kwas rybosomalny, zlokalizowany w jąderku i komórce cytoplazma.
Ribosomalny RNA stanowi około 80% całkowitej ilości kwasów rybonukleinowych w komórce i 60% masy rybosomu, organoidu, który syntetyzuje białko komórkowe. Wszystkie powyższe gatunki są syntetyzowane (transkrybowane) na pewnych odcinkach DNA, zwanych genami RNA. W procesie syntezy zaangażowane są cząsteczki specjalnego enzymu, polimerazy RNA. Miejscem syntezy rRNA w komórce jest jąderko zlokalizowane w karioplazmiejądra.
Jądro, jego rola w syntezie
W życiu komórki, zwanym cyklem komórkowym, występuje okres pomiędzy jej podziałami - interfaza. W tym czasie w jądrze komórkowym wyraźnie widoczne są gęste ciała o strukturze ziarnistej, zwane jąderkami, które są niezbędnym składnikiem zarówno komórek roślinnych, jak i zwierzęcych.
W biologii molekularnej ustalono, że jąderka to organelle, w których syntetyzowany jest rRNA. Dalsze badania cytologów doprowadziły do odkrycia skrawków DNA komórkowego, w których znaleziono geny odpowiedzialne za budowę i syntezę kwasów rybosomalnych. Nazywano ich organizatorem jąderkowym.
Organizator jądrowy
Do lat 60. XX wieku w biologii panował pogląd, że organizator jąderkowy, zlokalizowany w miejscu wtórnego zwężenia w 13, 14, 15, 21 i 22 parze chromosomów, ma postać jednej witryny. Naukowcy zajmujący się badaniem uszkodzeń chromosomów, zwanych aberracjami, odkryli, że w momencie pęknięcia chromosomu w miejscu wtórnego zwężenia, na każdej z jego części następuje tworzenie jąderek.
Możemy zatem stwierdzić, co następuje: organizator jąderkowy składa się nie z jednego, ale z kilku loci (genów) odpowiedzialnych za tworzenie jąderka. To w nim syntetyzowane są rRNA rybosomalne kwasy rybonukleinowe, które tworzą podjednostki organelli komórkowych syntetyzujących białka - rybosomów.
Co to są rybosomy?
Jak wspomniano wcześniej, wszystkie trzy główne typyRNA istnieje w komórce, gdzie są syntetyzowane w określonych miejscach - geny DNA. Powstały w wyniku transkrypcji rybosomalny RNA tworzy kompleksy z białkami - rybonukleoproteinami, z których powstają części składowe przyszłych organelli, tak zwane podjednostki. Poprzez pory w błonie jądrowej przechodzą one do cytoplazmy i tworzą w niej połączone struktury, w skład których wchodzą również cząsteczki i-RNA i t-RNA, zwane polisomami.
Sam rybosomy mogą być oddzielone pod wpływem działania jonów wapnia i istnieją oddzielnie jako podjednostki. Proces odwrotny zachodzi w przedziałach cytoplazmy komórki, gdzie zachodzą procesy translacji - montażu cząsteczek białek komórkowych. Im bardziej aktywna komórka, tym intensywniejsze w niej procesy metaboliczne, tym więcej zawiera rybosomów. Na przykład komórki czerwonego szpiku kostnego, hepatocyty kręgowców i ludzi charakteryzują się dużą liczbą tych organelli w cytoplazmie.
Jak kodowane są geny rRNA?
W związku z powyższym struktura, typy i funkcjonowanie genów rRNA zależą od organizatorów jąderkowych. Zawierają loci zawierające geny kodujące rybosomalny RNA. O. Miller, prowadząc badania nad oogenezą w komórkach traszki, ustalił mechanizm działania tych genów. Zsyntetyzowano z nich kopie rRNA (tzw. pierwotne transkryptanty), zawierające około 13x103 nukleotydów i posiadające współczynnik sedymentacji 45 S. Następnie łańcuch ten przeszedł proces dojrzewania, kończący się wytworzeniem trzechCząsteczki rRNA o współczynnikach sedymentacji 5, 8 S, 28 S i 18 S.
Mechanizm tworzenia rRNA
Wróćmy do eksperymentów Millera, który badał syntezę rybosomalnego RNA i dowiódł, że jądrowe DNA służy jako matryca (matryca) do tworzenia rRNA – transkryptanta. Ustalił również, że liczba powstających niedojrzałych kwasów rybosomalnych (pre-r-RNA) zależy od liczby cząsteczek enzymu polimerazy RNA. Następnie następuje ich dojrzewanie (przetwarzanie), a cząsteczki rRNA natychmiast zaczynają wiązać się z peptydami, w wyniku czego powstaje rybonukleoproteina, budulec rybosomu.
Cechy kwasów rybosomalnych w komórkach eukariotycznych
Mając te same zasady budowy i wspólne mechanizmy funkcjonalne, rybosomy organizmów prokariotycznych i jądrowych nadal mają różnice cytomolekularne. Aby się tego dowiedzieć, naukowcy zastosowali metodę badawczą zwaną analizą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Stwierdzono, że wielkość eukariotycznego rybosomu, a co za tym idzie zawartego w nim rRNA, jest większa, a współczynnik sedymentacji wynosi 80 S. Organelle tracące jony magnezu można podzielić na dwie podjednostki o wskaźnikach 60 S i 40 S Mała cząsteczka zawiera jedną cząsteczkę kwasu, a duża jedną - trzy, czyli komórki jądrowe zawierają rybosomy składające się z 4 polinukleotydowych helis kwasu o następujących cechach: 28 S RNA - 5 tys. nukleotydów, 18 S - 2 tys. S - 120 nukleotydów, 5, 8 S - 160. Miejscem syntezy rRNA w komórkach eukariotycznych jest jąderko zlokalizowane w karioplazmie jądra.
Rybosomalny RNA prokariotów
W przeciwieństwie do r-RNA,wchodząc do komórek jądrowych, rybosomalne kwasy rybonukleinowe bakterii są transkrybowane w zagęszczonym obszarze cytoplazmy zawierającym DNA i nazywane nukleoidem. Zawiera geny rRNA. Transkrypcja, której ogólną charakterystykę można przedstawić jako proces przepisywania informacji z rRNA genów DNA na sekwencję nukleotydową rybosomalnego kwasu rybonukleinowego, z uwzględnieniem zasady komplementarności kodu genetycznego: nukleotyd adeniny odpowiada uracylowi, a guaninie do cytozyny.
Bakterie R-RNA mają mniejszą masę cząsteczkową i mniejszy rozmiar niż komórki jądrowe. Ich współczynnik sedymentacji wynosi 70 S, a dwie podjednostki mają wartości 50 S i 30 S. Mniejsza cząsteczka zawiera jedną cząsteczkę rRNA, a większa dwie.
Rola kwasu rybonukleinowego w procesie translacji
Główną funkcją r-RNA jest zapewnienie procesu biosyntezy białek komórkowych - translacji. Przeprowadza się ją tylko w obecności rybosomów zawierających r-RNA. Łącząc się w grupy, wiążą się z informacyjną cząsteczką DNA, tworząc polisom. Cząsteczki transportu rybosomalnego kwasu rybonukleinowego, przenoszące aminokwasy, które w polisomie łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi, tworzą polimer - białko. Jest to najważniejszy związek organiczny komórki, który pełni wiele ważnych funkcji: budulcową, transportową, energetyczną, enzymatyczną, ochronną i sygnalizacyjną.
W tym artykule zbadano charakterystykę, strukturę i opis rybosomalnych kwasów nukleinowych, które sąorganiczne biopolimery komórek roślinnych, zwierzęcych i ludzkich.
