Molekulárna biológia sa zaoberá štúdiom štruktúry a funkcií molekúl organických látok, ktoré tvoria živé bunky rastlín, zvierat a ľudí. Osobitné miesto medzi nimi má skupina zlúčenín nazývaných nukleové (jadrové) kyseliny.
Existujú dva typy: kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová. Ten má niekoľko modifikácií: i-RNA, t-RNA a r-RNA, ktoré sa líšia svojimi funkciami a umiestnením v bunke. Tento článok je venovaný štúdiu nasledujúcich otázok: kde sa rRNA syntetizuje v prokaryotických a eukaryotických bunkách, aká je jej štruktúra a význam.
Historické pozadie
Prvú vedeckú zmienku o ribozomálnej kyseline možno nájsť v štúdiách R. Weinberga a S. Penmana v 60. rokoch 20. storočia, ktorí opísali krátke polynukleotidové molekuly súvisiace s ribonukleovými kyselinami, ktoré sa však líšia priestorovou štruktúrou a sedimentačný koeficient z informačnej a transportnej RNA. Najčastejšie ich molekulynachádza sa v jadierku, ako aj v bunkových organelách – ribozómoch zodpovedných za syntézu bunkového proteínu. Nazývali sa ribozomálne (ribozomálne ribonukleové kyseliny).
charakteristika RNA
Ribonukleová kyselina, podobne ako DNA, je polymér, ktorého monoméry sú nukleotidy 4 typov: adenín, guanín, uracil a cytidín, spojené fosfodiesterovými väzbami do dlhých jednovláknových molekúl, stočených do tvaru špirálovité alebo majúce zložitejšie tvary. Vo vírusoch obsahujúcich RNA sa nachádzajú aj dvojvláknové ribozomálne ribonukleové kyseliny, ktoré duplikujú funkcie DNA: zachovanie a prenos dedičných vlastností.
V bunke sa najčastejšie vyskytujú tri typy kyselín, sú to: matricová alebo informačná RNA, transportná ribozomálna ribonukleová kyselina, na ktorú sú naviazané aminokyseliny, ako aj ribozomálna kyselina, ktorá sa nachádza v jadierku a bunke cytoplazma.
Ribozomálna RNA tvorí asi 80 % celkového množstva ribonukleových kyselín v bunke a 60 % hmoty ribozómu, organoidu, ktorý syntetizuje bunkový proteín. Všetky vyššie uvedené druhy sa syntetizujú (prepisujú) v určitých úsekoch DNA, nazývaných gény RNA. V procese syntézy sa zúčastňujú molekuly špeciálneho enzýmu, RNA polymerázy. Miesto v bunke, kde sa syntetizuje rRNA, je jadro, ktoré sa nachádza v karyoplazmejadrá.
Jadierko, jeho úloha v syntéze
V živote bunky, nazývanom bunkový cyklus, existuje obdobie medzi jej deleniami - medzifáza. V tomto čase sú v bunkovom jadre jasne viditeľné husté telieska zrnitej štruktúry, nazývané jadierka, ktoré sú nenahraditeľnou súčasťou rastlinných aj živočíšnych buniek.
V molekulárnej biológii sa zistilo, že jadrá sú organely, kde sa syntetizuje rRNA. Ďalší výskum cytológov viedol k objavu úsekov bunkovej DNA, v ktorých sa našli gény zodpovedné za štruktúru a syntézu ribozomálnych kyselín. Nazývali sa nukleárny organizátor.
Jadrový organizátor
Do 60. rokov 20. storočia panoval v biológii názor, že nukleárny organizátor, ktorý sa nachádza v mieste sekundárneho zúženia v 13., 14., 15., 21. a 22. páre chromozómov, má tvar jednej lokality. Vedci, ktorí sa zaoberajú štúdiom poškodenia chromozómov, nazývaných aberácie, zistili, že v momente zlomu chromozómu v mieste sekundárneho zúženia dochádza k tvorbe jadierok na každej jeho časti.
Môžeme teda konštatovať nasledovné: nukleárny organizátor pozostáva nie z jedného, ale z niekoľkých lokusov (génov) zodpovedných za tvorbu jadierka. Práve v nej sa syntetizujú ribozomálne ribonukleové kyseliny rRNA, ktoré tvoria podjednotky bunkových organel syntetizujúcich proteíny – ribozómy.
Čo sú ribozómy?
Ako už bolo spomenuté, všetky tri hlavné typyRNA existuje v bunke, kde sa syntetizujú na určitých miestach - gény DNA. Ribozomálna RNA vytvorená ako výsledok transkripcie tvorí komplexy s proteínmi - ribonukleoproteíny, z ktorých sa tvoria zložky budúcej organely, takzvané podjednotky. Cez póry v jadrovej membráne prechádzajú do cytoplazmy a tvoria v nej kombinované štruktúry, ktorých súčasťou sú aj molekuly i-RNA a t-RNA, nazývané polyzómy.
Ribozómy samotné môžu byť oddelené pôsobením iónov vápnika a existujú oddelene ako podjednotky. Reverzný proces nastáva v kompartmentoch bunkovej cytoplazmy, kde prebiehajú procesy translácie – zostavovanie molekúl bunkových proteínov. Čím je bunka aktívnejšia, čím intenzívnejšie sú v nej metabolické procesy, tým viac ribozómov obsahuje. Napríklad bunky červenej kostnej drene, hepatocyty stavovcov a ľudí sa vyznačujú veľkým počtom týchto organel v cytoplazme.
Ako sa kódujú gény rRNA?
Na základe vyššie uvedeného závisí štruktúra, typy a fungovanie génov rRNA od nukleárnych organizátorov. Obsahujú lokusy obsahujúce gény kódujúce ribozomálnu RNA. O. Miller, ktorý viedol výskum oogenézy v mločích bunkách, stanovil mechanizmus fungovania týchto génov. Boli z nich syntetizované kópie rRNA (tzv. primárne transkriptanty), ktoré obsahovali asi 13x103 nukleotidov a mali sedimentačný koeficient 45 S. Potom tento reťazec prešiel procesom dozrievania, končiacim vytvorením trochmolekuly rRNA so sedimentačnými koeficientmi 5, 8 S, 28 S a 18 S.
Mechanizmus tvorby rRNA
Vráťme sa k pokusom Millera, ktorý skúmal syntézu ribozomálnej RNA a dokázal, že nukleárna DNA slúži ako templát (matrica) na tvorbu rRNA – transkriptantu. Tiež zistil, že počet nezrelých ribozomálnych kyselín (pre-r-RNA), ktoré sa tvoria, závisí od počtu molekúl enzýmu RNA polymerázy. Potom dôjde k ich dozrievaniu (spracovaniu) a molekuly rRNA sa okamžite začnú viazať na peptidy, čo vedie k vytvoreniu ribonukleoproteínu, stavebného materiálu ribozómu.
Vlastnosti ribozomálnych kyselín v eukaryotických bunkách
Ribozómy prokaryotických a jadrových organizmov, ktoré majú rovnaké princípy štruktúry a spoločné funkčné mechanizmy, majú stále cytomolekulárne rozdiely. Vedci na to použili výskumnú metódu nazývanú röntgenová difrakčná analýza. Zistilo sa, že veľkosť eukaryotického ribozómu, a teda aj rRNA v ňom obsiahnutá, je väčšia a sedimentačný koeficient je 80 S. Organelu, ktorá stráca horčíkové ióny, možno rozdeliť na dve podjednotky s indikátormi 60 S a 40 S Malá častica obsahuje jednu molekulu kyseliny a veľká jedna - tri, to znamená jadrové bunky obsahujú ribozómy pozostávajúce zo 4 polynukleotidových helixov kyseliny s nasledujúcimi vlastnosťami: 28 S RNA - 5 tisíc nukleotidov, 18 S - 2 tisíc 5 S - 120 nukleotidov, 5, 8 S - 160. Miesto, kde sa rRNA syntetizuje v eukaryotických bunkách, je jadro, ktoré sa nachádza v karyoplazme jadra.
Ribozomálna RNA prokaryotov
Na rozdiel od r-RNA,po vstupe do jadrových buniek sa ribozomálne ribonukleové kyseliny baktérií prepisujú v kompaktnej oblasti cytoplazmy obsahujúcej DNA a nazývajú sa nukleoid. Obsahuje gény rRNA. Transkripcia, ktorej všeobecnú charakteristiku možno znázorniť ako proces prepisovania informácie z rRNA génov DNA do nukleotidovej sekvencie ribozomálnej ribonukleovej kyseliny, berúc do úvahy pravidlo komplementarity genetického kódu: adenínový nukleoitid zodpovedá uracilu a guanín na cytozín.
R-RNA baktérie majú nižšiu molekulovú hmotnosť a menšiu veľkosť ako jadrové bunky. Ich sedimentačný koeficient je 70 S a dve podjednotky majú hodnoty 50 S a 30 S. Menšia častica obsahuje jednu molekulu rRNA a väčšia obsahuje dve.
Úloha ribonukleovej kyseliny v procese prekladu
Hlavnou funkciou r-RNA je zabezpečiť proces bunkovej biosyntézy proteínov – transláciu. Vykonáva sa iba v prítomnosti ribozómov obsahujúcich r-RNA. Spojením do skupín sa viažu na informačnú molekulu DNA a vytvárajú polyzóm. Molekuly transportnej ribozomálnej ribonukleovej kyseliny nesúce aminokyseliny, ktoré sa v polyzóme na seba naviažu peptidovými väzbami, vytvoria polymér – proteín. Je to najdôležitejšia organická zlúčenina bunky, ktorá plní mnoho dôležitých funkcií: stavebnú, transportnú, energetickú, enzymatickú, ochrannú a signalizačnú.
Tento článok skúmal charakteristiky, štruktúru a popis ribozomálnych nukleových kyselín, ktoré súorganické biopolyméry rastlinných, živočíšnych a ľudských buniek.
