Molekulární biologie se zabývá studiem struktury a funkcí molekul organických látek, které tvoří živé buňky rostlin, zvířat a lidí. Zvláštní místo mezi nimi má skupina sloučenin nazývaných nukleové (jaderné) kyseliny.
Existují dva typy: kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová. Ten má několik modifikací: i-RNA, t-RNA a r-RNA, které se liší svými funkcemi a umístěním v buňce. Tento článek je věnován studiu následujících otázek: kde je rRNA syntetizována v prokaryotických a eukaryotických buňkách, jaká je její struktura a význam.
Historické pozadí
První vědeckou zmínku o ribozomální kyselině lze nalézt ve studiích R. Weinberga a S. Penmana v 60. letech 20. století, kteří popsali krátké polynukleotidové molekuly příbuzné ribonukleovým kyselinám, které se však liší prostorovou strukturou a sedimentační koeficient z informační a transportní RNA. Nejčastěji jejich molekulynacházející se v jadérku, stejně jako v buněčných organelách - ribozomech odpovědných za syntézu buněčného proteinu. Říkalo se jim ribozomální (ribozomální ribonukleové kyseliny).
charakteristika RNA
Ribonukleová kyselina, stejně jako DNA, je polymer, jehož monomery jsou nukleotidy 4 typů: adenin, guanin, uracil a cytidin, spojené fosfodiesterovými vazbami do dlouhých jednořetězcových molekul, stočených do tvaru spirála nebo mají složitější tvary. Existují také dvouvláknové ribozomální ribonukleové kyseliny nalezené ve virech obsahujících RNA a duplikující funkce DNA: zachování a přenos dědičných vlastností.
V buňce se nejčastěji vyskytují tři typy kyselin, jsou to: matricová neboli informační RNA, transportní ribozomální ribonukleová kyselina, na kterou jsou navázány aminokyseliny, dále ribozomální kyselina, která se nachází v jadérku a buňce cytoplazma.
Ribozomální RNA tvoří asi 80 % celkového množství ribonukleových kyselin v buňce a 60 % hmoty ribozomu, organoidu, který syntetizuje buněčný protein. Všechny výše uvedené druhy jsou syntetizovány (přepisovány) v určitých úsecích DNA, nazývaných geny RNA. V procesu syntézy se účastní molekuly speciálního enzymu, RNA polymerázy. Místo v buňce, kde se syntetizuje rRNA, je jadérko, které se nachází v karyoplazmějádra.
Jádro, jeho role v syntéze
V životě buňky, nazývaném buněčný cyklus, existuje období mezi jejími děleními – interfáze. V této době jsou v buněčném jádře jasně viditelná hustá tělíska zrnité struktury, nazývaná jadérka, která jsou nepostradatelnou součástí rostlinných i živočišných buněk.
V molekulární biologii bylo zjištěno, že jadérka jsou organely, kde se syntetizuje rRNA. Další výzkum cytologů vedl k objevu úseků buněčné DNA, ve kterých byly nalezeny geny odpovědné za strukturu a syntézu ribozomálních kyselin. Říkalo se jim nukleolární organizátor.
Jaderný organizátor
Do 60. let 20. století panoval v biologii názor, že nukleolární organizátor umístěný v místě sekundární konstrikce ve 13., 14., 15., 21. a 22. páru chromozomů má tvar jednoho webu. Vědci zabývající se studiem poškození chromozomů, nazývaných aberace, zjistili, že v okamžiku zlomu chromozomu v místě sekundární konstrikce dochází k tvorbě jadérek na každé jeho části.
Můžeme tedy konstatovat následující: nukleolární organizátor se skládá nikoli z jednoho, ale z několika lokusů (genů) odpovědných za tvorbu jadérka. Právě v něm jsou syntetizovány ribozomální ribonukleové kyseliny rRNA, které tvoří podjednotky buněčných organel syntetizujících proteiny - ribozomy.
Co jsou ribozomy?
Jak již bylo zmíněno, všechny tři hlavní typyRNA existuje v buňce, kde jsou syntetizovány na určitých místech - geny DNA. Ribozomální RNA vzniklá v důsledku transkripce tvoří komplexy s proteiny - ribonukleoproteiny, ze kterých se tvoří součásti budoucí organely, tzv. podjednotky. Póry v jaderné membráně přecházejí do cytoplazmy a tvoří v ní kombinované struktury, které zahrnují také molekuly i-RNA a t-RNA, nazývané polysomy.
Ribozomy samotné mohou být odděleny působením vápenatých iontů a existují samostatně jako podjednotky. K opačnému procesu dochází v kompartmentech buněčné cytoplazmy, kde probíhají procesy translace – sestavování molekul buněčných proteinů. Čím aktivnější je buňka, čím intenzivnější jsou metabolické procesy v ní, tím více ribozomů obsahuje. Například buňky červené kostní dřeně, hepatocyty obratlovců a lidí se vyznačují velkým počtem těchto organel v cytoplazmě.
Jak se kódují geny rRNA?
Na základě výše uvedeného závisí struktura, typy a fungování genů rRNA na nukleolárních organizátorech. Obsahují lokusy obsahující geny kódující ribozomální RNA. O. Miller, provádějící výzkum oogeneze v buňkách čolků, stanovil mechanismus fungování těchto genů. Byly z nich syntetizovány kopie rRNA (tzv. primární transkriptanty), obsahující asi 13x103 nukleotidů a mající sedimentační koeficient 45 S. Poté tento řetězec prošel procesem zrání, který skončil vytvořením třímolekuly rRNA se sedimentačními koeficienty 5, 8 S, 28 S a 18 S.
Mechanismus tvorby rRNA
Vraťme se k experimentům Millera, který zkoumal syntézu ribozomální RNA a dokázal, že nukleolární DNA slouží jako templát (matrix) pro tvorbu rRNA - transkriptantu. Také zjistil, že počet nezralých ribozomálních kyselin (pre-r-RNA), které se tvoří, závisí na počtu molekul enzymu RNA polymerázy. Poté dojde k jejich zrání (zpracování) a molekuly rRNA se okamžitě začnou vázat na peptidy, což vede k vytvoření ribonukleoproteinu, stavebního materiálu ribozomu.
Vlastnosti ribozomálních kyselin v eukaryotických buňkách
Ribozomy prokaryotických a jaderných organismů mají stále stejné principy struktury a společné funkční mechanismy a mají cytomolekulární rozdíly. K tomu vědci použili výzkumnou metodu zvanou rentgenová difrakční analýza. Bylo zjištěno, že velikost eukaryotického ribozomu, a tedy i rRNA v něm obsažené, je větší a sedimentační koeficient je 80 S. Organelu, ztrácející ionty hořčíku, lze rozdělit na dvě podjednotky s indikátory 60 S a 40 S Malá částice obsahuje jednu molekulu kyseliny a velká jedna - tři, to znamená, že jaderné buňky obsahují ribozomy sestávající ze 4 polynukleotidových helixů kyseliny následujících charakteristik: 28 S RNA - 5 tisíc nukleotidů, 18 S - 2 tisíce 5 S - 120 nukleotidů, 5, 8 S - 160. Místo, kde je rRNA syntetizována v eukaryotických buňkách, je jadérko, které se nachází v karyoplazmě jádra.
Ribozomální RNA prokaryot
Na rozdíl od r-RNApo vstupu do jaderných buněk se ribozomální ribonukleové kyseliny bakterií přepisují do kompaktní oblasti cytoplazmy obsahující DNA a nazývají se nukleoid. Obsahuje geny rRNA. Transkripci, jejíž obecnou charakteristiku lze reprezentovat jako proces přepisování informace z rRNA genů DNA do nukleotidové sekvence ribozomální ribonukleové kyseliny, s přihlédnutím k pravidlu komplementarity genetického kódu: adenin nukleoitid odpovídá uracilu a guanin na cytosin.
R-RNA bakterie mají nižší molekulovou hmotnost a menší velikost než jaderné buňky. Jejich sedimentační koeficient je 70 S a dvě podjednotky mají hodnoty 50 S a 30 S. Menší částice obsahuje jednu molekulu rRNA a větší obsahuje dvě.
Role ribonukleové kyseliny v procesu translace
Hlavní funkcí r-RNA je zajištění procesu biosyntézy buněčného proteinu – translace. Provádí se pouze v přítomnosti ribozomů obsahujících r-RNA. Spojením do skupin se navážou na informační molekulu DNA a vytvoří polysom. Molekuly transportní ribozomální ribonukleové kyseliny, nesoucí aminokyseliny, které se po vložení do polysomu na sebe vážou peptidovými vazbami, tvoří polymer – protein. Je to nejdůležitější organická sloučenina buňky, která plní mnoho důležitých funkcí: stavební, transportní, energetické, enzymatické, ochranné a signalizační.
Tento článek zkoumal vlastnosti, strukturu a popis ribozomálních nukleových kyselin, které jsouorganické biopolymery rostlinných, živočišných a lidských buněk.
