Molekularna biologija se ukvarja s preučevanjem strukture in funkcij molekul organskih snovi, ki sestavljajo žive celice rastlin, živali in ljudi. Posebno mesto med njimi ima skupina spojin, imenovanih nukleinske (jedrske) kisline.
Obstajata dve vrsti: deoksiribonukleinska kislina (DNK) in ribonukleinska kislina. Slednji ima več modifikacij: i-RNA, t-RNA in r-RNA, ki se razlikujejo po svojih funkcijah in lokaciji v celici. Ta članek je namenjen preučevanju naslednjih vprašanj: kje se sintetizira rRNA v prokariotskih in evkariontskih celicah, kakšna je njena struktura in pomen.
Zgodovinsko ozadje
Prvo znanstveno omembo ribosomske kisline najdemo v študijah R. Weinberga in S. Penmana v 60. letih XX stoletja, ki sta opisala kratke polinukleotidne molekule, povezane z ribonukleinskimi kislinami, vendar se razlikujejo po prostorski strukturi in sedimentacijski koeficient iz informacijske in transportne RNA. Najpogosteje njihove molekulenajdemo v nukleolu, pa tudi v celičnih organelah - ribosomih, ki so odgovorni za sintezo celičnih beljakovin. Imenovali so jih ribosomske (ribosomske ribonukleinske kisline).
značilnost RNA
Ribonukleinska kislina, tako kot DNK, je polimer, katerega monomeri so nukleotidi 4 vrst: adenin, gvanin, uracil in citidin, povezani s fosfodiesterskimi vezmi v dolge enoverižne molekule, zvite v obliki spiralne ali bolj zapletene konformacije. Obstajajo tudi dvoverižne ribosomske ribonukleinske kisline, ki jih najdemo v virusih, ki vsebujejo RNA in podvajajo funkcije DNK: ohranjanje in prenos dednih lastnosti.
V celici so najpogostejše tri vrste kislin, to so: matrična ali informacijska, RNA, transportna ribosomska ribonukleinska kislina, na katero so vezane aminokisline, pa tudi ribosomska kislina, ki se nahaja v jedru in celici citoplazma.
Ribosomska RNA predstavlja približno 80 % celotne količine ribonukleinskih kislin v celici in 60 % mase ribosoma, organoida, ki sintetizira celične beljakovine. Vse zgoraj navedene vrste se sintetizirajo (transkribirajo) na določenih delih DNK, imenovanih geni RNA. V procesu sinteze so vključene molekule posebnega encima, RNA polimeraze. Mesto v celici, kjer se sintetizira rRNA, je jedro, ki se nahaja v karioplazmijedrca.
Nucleolus, njegova vloga pri sintezi
V življenju celice, ki se imenuje celični cikel, obstaja obdobje med njenimi delitvami - interfaza. V tem času so v celičnem jedru jasno vidna gosta telesa zrnate strukture, imenovana nukleoli, ki so nepogrešljiva sestavina tako rastlinskih kot živalskih celic.
V molekularni biologiji je bilo ugotovljeno, da so nukleoli organeli, kjer se sintetizira rRNA. Nadaljnje raziskave citologov so privedle do odkritja delov celične DNK, v katerih so našli gene, ki so odgovorni za strukturo in sintezo ribosomskih kislin. Imenovali so jih nukleolarni organizator.
Jedrski organizator
Do 60-ih let XX stoletja je v biologiji veljalo mnenje, da ima jedrni organizator, ki se nahaja na mestu sekundarne zožitve v 13., 14., 15., 21. in 22. paru kromosomov, obliko posameznega mesta. Znanstveniki, ki se ukvarjajo s preučevanjem kromosomskih poškodb, imenovanih aberacije, so ugotovili, da v trenutku prekinitve kromosoma na mestu sekundarne zožitve pride do tvorbe jedrcev na vsakem njegovem delu.
Tako lahko trdimo naslednje: jedrni organizator ni sestavljen iz enega, temveč iz več lokusov (genov), odgovornih za nastanek jedrca. V njej se sintetizirajo ribosomske ribonukleinske kisline rRNA, ki tvorijo podenote celičnih organelov, ki sintetizirajo beljakovine - ribosome.
Kaj so ribosomi?
Kot že omenjeno, vse tri glavne vrsteRNA obstaja v celici, kjer se sintetizira na določenih mestih – geni DNK. Ribosomska RNA, ki nastane kot posledica transkripcije, tvori komplekse z beljakovinami - ribonukleoproteini, iz katerih nastanejo sestavni deli bodoče organele, tako imenovane podenote. Skozi pore v jedrski membrani prehajajo v citoplazmo in v njej tvorijo združene strukture, ki vključujejo tudi molekule i-RNA in t-RNA, imenovane polisomi.
Sami ribosomi se lahko ločijo pod delovanjem kalcijevih ionov in obstajajo ločeno kot podenote. Povratni proces se zgodi v predelkih celične citoplazme, kjer potekajo procesi translacije – sestavljanje celičnih beljakovinskih molekul. Bolj aktivna je celica, intenzivnejši so metabolni procesi v njej, več ribosomov vsebuje. Na primer, za celice rdečega kostnega mozga, hepatocite vretenčarjev in ljudi je značilno veliko število teh organelov v citoplazmi.
Kako so kodirani geni rRNA?
Glede na zgoraj navedeno so struktura, tipi in delovanje genov rRNA odvisni od nukleolarnih organizatorjev. Vsebujejo lokuse, ki vsebujejo gene, ki kodirajo ribosomsko RNA. O. Miller je z raziskavo oogeneze v celicah tritonov ugotovil mehanizem delovanja teh genov. Iz njih so bile sintetizirane kopije rRNA (t. i. primarnih transkriptantov), ki vsebujejo približno 13x103 nukleotidov in imajo sedimentacijski koeficient 45 S. Nato je ta veriga doživela proces zorenja, ki se je končalo s tvorbo trehrRNA molekule s sedimentacijskimi koeficienti 5, 8 S, 28 S in 18 S.
Mehanizem tvorbe rRNA
Vrnimo se k poskusom Millerja, ki je raziskal sintezo ribosomske RNA in dokazal, da nukleolarna DNK služi kot šablona (matriks) za tvorbo rRNA – transkriptanta. Ugotovil je tudi, da je število nezrelih ribosomskih kislin (pre-r-RNA), ki nastanejo, odvisno od števila molekul encima RNA polimeraze. Nato pride do njihovega zorenja (predelave) in molekule rRNA se takoj začnejo vezati na peptide, kar povzroči nastanek ribonukleoproteina, gradbenega materiala ribosoma.
Lastnosti ribosomskih kislin v evkariontskih celicah
Ob enakih načelih strukture in skupnih funkcionalnih mehanizmih imajo ribosomi prokariontskih in jedrskih organizmov še vedno citomolekularne razlike. Da bi ugotovili, so znanstveniki uporabili raziskovalno metodo, imenovano analiza rentgenske difrakcije. Ugotovljeno je bilo, da je velikost evkariontskega ribosoma in s tem vključene rRNA večja in da je sedimentacijski koeficient 80 S. Organele, ki izgubljajo magnezijeve ione, lahko razdelimo na dve podenoti s indikatorjem 60 S in 40 S. Majhen delec vsebuje eno molekulo kisline, velik pa tri, torej jedrske celice vsebujejo ribosome, sestavljene iz 4 polinukleotidnih vijačnic kisline z naslednjimi značilnostmi: 28 S RNA - 5 tisoč nukleotidov, 18 S - 2 tisoč 5 S - 120 nukleotidov, 5, 8 S - 160. Mesto, kjer se rRNA sintetizira v evkariontskih celicah, je nukleolus, ki se nahaja v karioplazmi jedra.
ribosomska RNA prokariotov
Za razliko od r-RNA,Ko vstopijo v jedrske celice, se ribosomske ribonukleinske kisline bakterij prepišejo v stisnjenem območju citoplazme, ki vsebuje DNK, in se imenuje nukleoid. Vsebuje gene rRNA. Transkripcija, katere splošno značilnost je lahko predstavljena kot proces ponovnega pisanja informacij iz rRNA genov DNK v nukleotidno zaporedje ribosomske ribonukleinske kisline, ob upoštevanju pravila komplementarnosti genetske kode: adenin nukleoitid ustreza uracilu in gvaninu na citozin.
R-RNA bakterije imajo nižjo molekulsko maso in manjšo velikost kot jedrske celice. Njihov sedimentacijski koeficient je 70 S, obe podenoti pa imata vrednosti 50 S in 30 S. Manjši delec vsebuje eno molekulo rRNA, večji pa dve.
Vloga ribonukleinske kisline v procesu prevajanja
Glavna funkcija r-RNA je zagotoviti proces biosinteze celične beljakovine – prevajanje. Izvaja se le v prisotnosti ribosomov, ki vsebujejo r-RNA. Če se združijo v skupine, se vežejo na informacijsko molekulo DNK in tvorijo polisom. Molekule transportne ribosomske ribonukleinske kisline, ki nosijo aminokisline, ki se enkrat v polisomu vežejo med seboj s peptidnimi vezmi, tvorijo polimer – protein. Je najpomembnejša organska spojina celice, ki opravlja številne pomembne funkcije: gradnjo, transport, energijo, encimsko, zaščitno in signalno.
Ta članek je preučil značilnosti, strukturo in opis ribosomskih nukleinskih kislin, ki soorganski biopolimeri rastlinskih, živalskih in človeških celic.
