Молекулярната биология се занимава с изучаване на структурата и функциите на молекулите на органичните вещества, които изграждат живите клетки на растения, животни и хора. Специално място сред тях е отделено на група съединения, наречени нуклеинови (ядрени) киселини.
Има два вида: дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина. Последният има няколко модификации: i-RNA, t-RNA и r-RNA, които се различават по своите функции и местоположение в клетката. Тази статия е посветена на изучаването на следните въпроси: къде се синтезира рРНК в прокариотни и еукариотни клетки, каква е нейната структура и значение.
Историческа справка
Първото научно споменаване на рибозомната киселина може да се намери в изследванията на R. Weinberg и S. Penman през 60-те години на XX век, които описват къси полинуклеотидни молекули, свързани с рибонуклеиновите киселини, но различаващи се по пространствена структура и коефициент на утаяване от информационна и транспортна РНК. Най-често техните молекулинамират се в ядрото, както и в клетъчните органели - рибозоми, отговорни за синтеза на клетъчния протеин. Те бяха наречени рибозомни (рибозомни рибонуклеинови киселини).
РНК характеристика
Рибонуклеиновата киселина, подобно на ДНК, е полимер, мономерите на който са нуклеотиди от 4 вида: аденин, гуанин, урацил и цитидин, свързани чрез фосфодиестерни връзки в дълги едноверижни молекули, усукани под формата на спираловидни или с по-сложни конформации. Съществуват и двуверижни рибозомни рибонуклеинови киселини, открити в РНК-съдържащи вируси и дублиращи функциите на ДНК: запазване и предаване на наследствени черти.
Три вида киселини са най-често срещани в клетката, това са: матрична, или информационна, РНК, транспортна рибозомна рибонуклеинова киселина, към която са прикрепени аминокиселини, както и рибозомна киселина, разположена в ядрото и клетката цитоплазма.
Рибозомната РНК съставлява около 80% от общото количество рибонуклеинови киселини в клетката и 60% от масата на рибозомата, органоид, който синтезира клетъчния протеин. Всички горепосочени видове се синтезират (транскрибират) в определени участъци от ДНК, наречени РНК гени. В процеса на синтез участват молекули на специален ензим, РНК полимераза. Мястото в клетката, където се синтезира рРНК, е ядрото, разположено в кариоплазматаядра.
Ядро, неговата роля в синтеза
В живота на клетката, наречен клетъчен цикъл, има период между нейните деления - интерфаза. По това време в клетъчното ядро се виждат ясно плътни тела със зърнеста структура, наречени нуклеоли, които са незаменим компонент както на растителните, така и на животинските клетки.
В молекулярната биология е установено, че нуклеолите са органелите, където се синтезира рРНК. По-нататъшни изследвания на цитолозите доведоха до откриването на участъци от клетъчната ДНК, в които бяха открити гени, отговорни за структурата и синтеза на рибозомни киселини. Наричаха ги нуклеоларният организатор.
Ядреен организатор
До 60-те години на XX век в биологията съществуваше мнение, че нуклеоларният организатор, разположен на мястото на вторичното свиване в 13-та, 14-та, 15-та, 21-ва и 22-ра двойки хромозоми, има формата на един сайт. Учените, участващи в изследването на хромозомните увреждания, наречени аберации, са открили, че в момента на счупване на хромозомата на мястото на вторичното свиване се образува образуването на нуклеоли на всяка от частите му.
Така можем да кажем следното: нуклеоларният организатор се състои не от един, а от няколко локуса (гена), отговорни за образуването на ядрото. Именно в него се синтезират рибозомни рибонуклеинови киселини рРНК, които образуват субединици от протеин-синтезиращи клетъчни органели - рибозоми.
Какво са рибозомите?
Както споменахме по-рано, и трите основни типаРНК съществуват в клетката, където се синтезират на определени места – ДНК гени. Образуваната в резултат на транскрипция рибозомна РНК образува комплекси с протеини - рибонуклеопротеини, от които се образуват съставните части на бъдещата органела, т. нар. субединици. През порите в ядрената мембрана те преминават в цитоплазмата и образуват в нея комбинирани структури, които включват и молекули на i-RNA и t-RNA, наречени полизоми.
Самите рибозоми могат да бъдат разделени под действието на калциеви йони и да съществуват отделно като субединици. Обратният процес протича в отделенията на клетъчната цитоплазма, където протичат процесите на транслация – сглобяването на клетъчните протеинови молекули. Колкото по-активна е клетката, толкова по-интензивни са метаболитните процеси в нея, толкова повече рибозоми съдържа. Например, клетките на червения костен мозък, хепатоцитите на гръбначните животни и хората се характеризират с голям брой от тези органели в цитоплазмата.
Как се кодират rRNA гените?
Въз основа на горното, структурата, видовете и функционирането на rRNA гените зависят от нуклеоларните организатори. Те съдържат локуси, съдържащи гени, кодиращи рибозомна РНК. О. Милър, провеждайки изследвания върху оогенезата в клетките на тритон, установява механизма на функциониране на тези гени. От тях са синтезирани копия на рРНК (т.нар. първични транскриптанти), съдържащи около 13x103 нуклеотида и имащи коефициент на утаяване 45 S. След това тази верига претърпява процес на съзряване, завършващ с образуването на триrRNA молекули с коефициенти на утаяване 5, 8 S, 28 S и 18 S.
Механизъм на образуване на рРНК
Да се върнем към експериментите на Милър, който изследва синтеза на рибозомна РНК и доказва, че нуклеоларната ДНК служи като матрица (матрица) за образуването на рРНК – транскриптант. Той също така установи, че броят на незрели рибозомни киселини (pre-r-RNA), които се образуват, зависи от броя на молекулите на ензима РНК полимераза. След това настъпва тяхното узряване (обработка) и молекулите на рРНК веднага започват да се свързват с пептиди, което води до образуването на рибонуклеопротеин, строителният материал на рибозомата.
Характеристики на рибозомните киселини в еукариотните клетки
Имайки същите принципи на структура и общи функционални механизми, рибозомите на прокариотните и ядрените организми все още имат цитомолекулярни различия. За да разберат, учените са използвали изследователски метод, наречен рентгенов дифракционен анализ. Установено е, че размерът на еукариотната рибозома, а оттам и на включената в нея рРНК е по-голям и коефициентът на утаяване е 80 S. Органелата, губейки магнезиеви йони, може да се раздели на две субединици с показатели 60 S и 40 S Малка частица съдържа една молекула киселина, а голяма - три, тоест ядрените клетки съдържат рибозоми, състоящи се от 4 полинуклеотидни спирали на киселина със следните характеристики: 28 S РНК - 5 хиляди нуклеотида, 18 S - 2 хиляди 5 S - 120 нуклеотида, 5, 8 S - 160. Мястото, където се синтезира рРНК в еукариотните клетки е ядрото, разположено в кариоплазмата на ядрото.
Рибозомна РНК на прокариоти
За разлика от r-RNA,навлизайки в ядрените клетки, рибозомните рибонуклеинови киселини на бактериите се транскрибират в уплътнена област от цитоплазмата, съдържаща ДНК, и се нарича нуклеоид. Съдържа rRNA гени. Транскрипция, чиято обща характеристика може да бъде представена като процес на пренаписване на информация от рРНК на ДНК гени в нуклеотидна последователност на рибозомна рибонуклеинова киселина, като се вземе предвид правилото за комплементарност на генетичния код: аденинов нуклеотид съответства на урацил и гуанин към цитозин.
R-RNA бактериите имат по-ниско молекулно тегло и по-малък размер от този на ядрените клетки. Техният коефициент на утаяване е 70 S, а двете субединици имат стойности от 50 S и 30 S. По-малката частица съдържа една rRNA молекула, а по-голямата съдържа две.
Ролята на рибонуклеиновата киселина в процеса на превод
Основната функция на r-RNA е да осигури процеса на биосинтеза на клетъчния протеин - транслация. Извършва се само в присъствието на рибозоми, съдържащи r-RNA. Обединявайки се в групи, те се свързват с информационната ДНК молекула, образувайки полизома. Молекулите на транспортната рибозомна рибонуклеинова киселина, носещи аминокиселини, които попаднали в полизома, се свързват помежду си чрез пептидни връзки, образуват полимер - протеин. Това е най-важното органично съединение на клетката, което изпълнява много важни функции: изграждане, транспорт, енергия, ензимна, защитна и сигнална.
Тази статия разглежда характеристиките, структурата и описанието на рибозомните нуклеинови киселини, които саорганични биополимери на растителни, животински и човешки клетки.
