Ribozomi
Ribozomi ili ribosomi predstavljaju multimolekulske (multienzimske) strukture u ćeliji neophodne za odvijanje procesa sinteze proteina. Naučnik Palade je ove strukture otkrio 1955. godine primenom elektronskog mikroskopa. Zbog toga što sadrže veliku količinu ribonukleinskih kiselina nazvane su ribozomi. Prečnik ribozoma se kreće između 15 i 30 nm. Nalaze se u citosolu kako prokariotskih, tako i eukariotskih ćelija. Naime, ribozomi predstavljaju univerzalne komponente svih živih ćelija i smatraju se obligatnim strukturama ćelije. Ribozomi se zapažaju pod svetlosnim mikroskopom ili kao individualne partikule ili kao oblasti gde se nalazi veliki broj ribozoma. Ove oblasti su bazofilne i boje se bojama kao što je metil plavo. Broj ribozoma u ćeliji je nasledno određen. Biljne ćelije koje imaju smanjen broj ribozoma nisu sposobne da sintetišu neka jedinjenja koja učestvuju u prenošenju elektrona u fotosistemu I. Isto tako one nemaju dovoljno proteina (belančevina), karboksidismutaze i fermenata za biosintezu karotina. Masa ribozoma je ¼ suve materije kako prokariotske, tako i eukariotske ćelije. Jedini tip ćelija u kojima se ne nalaze ribozomi su eritrociti sisara. Međutim, eritrociti sisara se ne mogu smatrati potpunim ćelijama jer su oni u definitivnom stanju anukleatni (u procesu sazrevanja gube jedro). Osim u citosolu, ribozomi se nalaze i u nekim organelama kao što su plastidi, mitohondrije i jedro, pa se takvi ribozomi označavaju kao organelarni ribozomi.
Sadržaj
Monomeri ili monozomi
Sedimentacija
Brzina taloženja pri centrifugiranju se izražava koeficijentom sedimentacije čije su vrednosti za molekule proteina 1-100 x 10¹³s. Radi lakšeg zapisivanja uzima se kao jedinica vrednosti 1 x 10¹³s i nazvana je Svedbergova jedinica ili konstanta i označava se sa S. Prema tome većina proteina ima koeficijent sedimentacije 1-100 S, ribozoma 5-200 S. Ukoliko se neka čestica raspadne na manje onda zbir koeficijenata sedimentacije ne daje polaznu veličinu pošto brzina taloženja ne zavisi samo od težine čestice nego i od njenog oblika. Ribozomi imaju dve subjedinice na koje se raspadaju pri smanjenju koncentracije jona magnezijuma.
Struktura
Biohemijska istraživanja su pokazala da se ribozomi sastoje od 60-65% ribozomalne RNK i 35-40% proteina. Ribonukleinska kiselina u manjoj subjedinici je molekulske težine 0,6 x 10 na 6. U većoj subjedinici ribozoma molekulske težine RNK iznosi 1,2 x 10 na 6. Za ove molekule ribonukleinske kiseline vezani su ribozomalni proteini, čija je molekulska težina relativno mala i najčešće se kreće od 9000 do 30000 daltona. Ovi proteini se odlikuju jako baznim svojstvima. Ribozomna RNK čini najveći deo RNK ćelije, a srazmerno mali deo proteina ćelije su proteini ribozoma iako je njihov broj u ćeliji veliki. Elektronsko-mikroskopska proučavanja su ustanovila da se ribozomi sastoje od dve subjedinice (polulopte) – velike i male.
Analize trodimenzionog izgleda prokariotskog ribozoma pokazale su da se subjedinice međusobno razlikuju po svojoj formi. Smatra se da su eukariotski ribozomi ekvivalentni prokariotskim. Tako je u savremenoj citologiji prihvaćeno gledište da velika subjedinica ima oblik sličan kruni. Istina, samo u jednom određenom položaju velika subjedinica tako leži na mrežici za elektronsko-mikroskopska istraživanja da je nalik na krunu i da se uočavaju tri dela: glavu, ručice i telo (70% velikih subjedinica se tako postavlja na mrežici, a ostalih 30% zadobija izgled bubrežasto ovalne formacije). Zaobljena oblast velike subjedinice je povezana sa citosolnom membranom endoplazmatičnog retikuluma. Druga strana velike subjedinice poseduje deo koji će se povezati sa transfer RNK i žljeb kroz koji klizi novostvoreni lanac proteina. Mala subjedinica sadrži deo koji će stupiti u kontakt sa delom mesendžer RNK (kodonom ili nukleotidnim tripletom) koji će biti prepoznat od antikodona.
Visoko-rezolucijska trukturna analiza ribozoma X-zracima nije dugo bila uspešno izvedena zbog veličine i kompleksnosti ovih struktura. Tek je 2000. godine uspela ova analiza i tada su prvi put objavljene strukture 50S i 30S podjedinice. Poznavanje strukture ribozoma na atomskom nivou bilo je ključno za razumevanje funkcije ribozoma.
Ribozomi se drže kao celina silama, koje vladaju između male i velike subjedinice, u obliku vodoničnih mostova (veza) između baza ribozomnih RNK. Te veze stabilizuju joni kalcijuma i magnezijuma. I informaciona RNK ima neku ulogu u povezivanju podjedinica, a RNK čiji su molekuli veličine 5S povezuju podjedinice tako da se mogu pokretati jedna prema drugoj, pa ova veza podseća na mehanizam šarki na vratima.
Formiranje
Značajna karakteristika ribozoma je da mogu nastati in vitro, odnosno samoudruživanjem rRNK i proteina. Ovu karakteristiku ribozoma je prvi uočio japanski molekularni biolog Masayasu Momura 1968. godine. Naime, on je uočio da će pročišćeni ribozomski proteini i molekuli rRNK kada se pomešaju zajedno pod odgovarajućim uslovima, ponovo formirati funkcionalne ribozome. Dokazano je da se formiranje ribozoma in vitro, naročito kod eukariotskih ćelija, odvija znatno složenije. Međutim, ovo saznanje je osiguralo važan eksperimentalni pristup koji omogućava na taj način ispitivanje funkcije svakog proteina i molekula ribozomalne RNK.
Ribozomske RNK putem komplementarnog sparivanja baza stvaraju za njih karakteristične sekundarne strukture. Trodimenzionalne strukture nastaju kada se ovaj molekul poveže sa ribozomskim proteinima na taj način što se dodatno smanjuju. U početku se predpostavljalo da ribozomske RNK imaju strukturnu ulogu, odnosno da osiguravaju skelet koji sjedinjuje ribozomske proteine. Kada su otkrivene katalitičke osobine drugih klasa RNK, uveliko se počela razmatrati mogućnost da i rRNK ima katalitičku funkciju. Eksperimentalnim putem je utvrđeno da je rRNK neophodna za udruživanje funkcionalnih ribozoma in vitro. Kada su izostavljeni mnogi ribozomski proteini uočeno je da je smanjena, ali ne i potpuno obustavljena ribozomska aktivnost.
Harry Noller i njegovi saradnici su 1992. godine izveli eksperimente iz kojih su proizašli prvi direktni dokazi o katalitičkoj aktivnosti ribozomske ribonukleinske kiseline. Ovi eksperimenti su dokazali da velika ribozomska podjedinica može katalizovati nastajanje peptidne veze čak i kada je 90% proteina koji učestvuju u izgradnji ribozoma uklonjeno standardnim postupcima ekstrakcije proteina. Suprotni rezultati su dobijeni kada je nakon primene ribonukleaze stvaranje peptidne veze potpuno dokinuto. Time je snažno poduprta hipoteza da ovu reakciju katalizuje RNK. Međutim, pošto je prisutnost pojedinih ribozomskih proteina bila neophodna za održavanje intaktnosti ribonukleinske kiseline, još uvek nije bilo moguće u potpunosti isključiti mogućnost da stvaranje peptidne veze katalizuju proteini.
Tek je iz prvih strukturnih analiza 50S ribozomske subjedinice koje su vršene pri velikom uvećanju proizašao nesumnjivi dokaz o tome da rRNK katalizuje reakciju stvaranja peptidne veze. Ove analize su objavili Peter Moore, Tomas Seitz i njihovi saradnici 2000. godine. Istraživanja strukture ribozoma na atomskom nivou su ukazala da ribozomski proteini nisu prisutni na mestu u kom se odvija reakcija peptidil-transferaze i na taj način je potvrđeno da rRNK katalizuje reakciju stvaranja peptidne veze. Na osnovu strukturne analize je predložen i mogući mehanizam ove reakcije. Naime, smatra se da ostaci ribozomske RNK u aktivnom mestu katalizuju stvaranje peptidne veze reakcijom prenosa protona koja odgovara reakciji suprotnoj od hidrolize peptidne veze koju katalizuju serinske proteaze. Iako predloženi mehanizam treba proveriti dodatnim studijama, za sada je opšteprihvaćeno da temeljnu reakciju sinteze proteina katalizuje ribozomska ribonukleinska kiselina. Danas se smatra da proteini imaju uglavnom strukturnu ulogu.
Tipovi
Ribozome možemo podeliti u dve velike grupe: prokariotske i eukariotske. Iako se u literaturi obično kaže da se prokariotski ribozomi nalaze u prokariotskim ćelijama, mitohondrijama i plastidima, a eukariotski ribozomi u citoplazmi eukariotskih ćelija, važno je napomenuti da su poznati i eukariotski organizmi koji poseduju prokariotski tip ribozoma. Najpoznatiji primer su praživotinje iz grupe Microsporidia. Smatra se da takvi eukariotski predstavnici predstavljaju izuzetno primitivne oblike i da im se filogenetsko mesto nalazi pri bazi razvoja svih eukariota.
Prokariotski tip
Prokariotski ribozomi se, osim u ćeliji prokariota, nalaze još i u mitohondrijama i plastidima eukariotskih ćelija. U prokariotskoj ćeliji se nalaze, u većem ili manjem broju, razbacani po celom protoplastu. U ćelijama vrste Echerichia coli ima oko 15 000 ribozoma. Prokariotski ribozomi imaju ukupnu sedimentacionu konstantu 70S, od čega velika subjedinica ima 50S, a mala 30S. Veliku podjedinicu izgrađuju dve rRNK i 34 proteina, dok malu podjedinicu sačinjava jedna rRNK i 21 protein. Pojedine vrste molekula ribozomne RNK u 70S ribozomima imaju nešto niže vrednosti sedimentacije od rRNK 80S ribozoma i one iznose: 5S, 16S i 23S.
Eukariotski tip
U eukariotskoj ćeliji ribozomi se ne nalaze samo u citosolu, već i na citosolnoj membrani endoplazmatičnog retikuluma, koji se onda naziva granulirani endoplazmatični retikulum, a takođe se često zapažaju i na spoljašnjoj strani vakuole kod organizama koji je poseduju. Takođe, ribozomi se nalaze i u matriksu mitohondrija i plastida, ali ovi ribozomi više podsećaju na prokariotske. Eukariotski ribozomi imaju ukupnu sedimentacionu konstantu 80S, od čega velika subjedinica ima 60S, a mala 40S. Veliku subjedinicu obrazuju tri rRNK i oko 49 proteina, a malu subjedinicu jedna rRNK i oko 33 proteina. Iz 80S ribozoma izdvojene su ribozomne RNK različitih sedimentacionih odlika. Jedan molekul, čija sedimentaciona konstanta iznosi 25-28S, je vezan vodoničnim vezma za molekule rRNK sa sedimentacionim konstantama 5S, 5,8S i 18S. Broj vrsta proteina u 80S ribozomima je veći nego u 70S što bi se moglo dovesti u vezu sa složenijom kontrolom sinteze proteina na ribozomima eukariota.
Inhibitori
Dosadašnjim istraživanjima je ustanovljen veliki broj jedinjenja koja koče, odnosno sprečavaju rad ribozoma i to na različite načine. Pojedina jedinjenja koče sintezu RNK, dok druga koče sintezu ribozomskih proteina. Takođe, ova jedinjenja razlikujemo i po tome da li sprečavaju funkcionisanje prokariotskih ili eukariotskih ribozoma. Korišćenjem ovih sretstava moguće je utvrditi koji se proteini sintetišu u citosolu, a koje u mitohondrijama i plastidima eukariotske ćelije. Puromicin inhibira sintezu proteina i kod prokariotskog i kod eukariotskog ribozomalnog sistema. Streptomicin deluje samo na prokariotske ribozome, a cikloheksimid deluje samo na eukariotske ribozome.
Poliribozomi ili polizomi
Odavno je uočeno da solitarni ribozomi u ćeliji nisu akteri sinteze proteina. Ulogu u povezivanju amino-kiselina u polipeptidni lanac ribozomi ispoljavaju samo ukoliko su velika i mala podjedinica udružene i, istovremeno, ujedinjene sa informacionom ili mesendžer RNK. Veći broj ribozoma koji su povezani molekulom informacione RNK obrazuje složenu tvorevinu nazvanu poliribozom ili, kraće, polizom. Novija istraživanja ukazuju da su poliribozomi visoko organizovane strukture, te da je prostorni raspored podjedinica ribozoma povezanih iRNK precizan i stalan. Posmatranja na transmisionom elektronskom mikroskopu negativno kontrastriranih izdvojenih poliribozoma pokazuju da su oni najčešće kružno-spiralnog izgleda. Takođe, ovim posmatranjima je utvrđeno i da se istovrsne subjedinice ribozoma nalaze uvek sa iste strane, i to, male okrenute ka unutrašnjoj strani ove formacije dok su velike subjedinice orijentisane ka spoljašnjoj strani.
Formiranje
Dokazano je da ribozomi mogu da postoje u tri strukturna stanja: monomernom (monozom), dinernom i poliribozomalnom (polizomnom). Povezivanje monozoma u polizome obavlja se na nitima informacione RNK i broj vezanih zavisi od dužine niti. Rastojanje između pojedinih monomera na niti iznosi oko 90 nukleotida. Dijametar informacione RNK iznosi oko 1,5 nm. Poseban činilac učestvuje u povezivanju ribozoma zajedno sa informacionom RNK. On obezbeđuje da se mesto od koga počinje čitanje obaveštenja iRNK nalazi na određenom mestu ribozoma. Veza između ribozoma i iRNK se ostvaruje preko fosfatnih ostataka iRNK i aminoostataka adenina, citozina i guanina, a to zavisi od prisustva u određenim koncentracijama dvovalentnih katjona kalcijuma, magnezijuma i mangana. Prikopčavanje monozoma za iRNK obavlja se preko male subjedinice monozoma, a u tom procesu učestvuju joni magnezijuma. Za vreme sinteze belančevina vezuje se i veća subjedinica pa se dobija tvorevina slična niski bisera. Povezivanjem poliribozoma za određene membrane oni se specijalizuju za sintezu posebnih proteina.
Disagregacija
Poliribozomi nisu stalne strukture u ćeliji. Posle obavljene sinteze proteina se raspadaju na pojedinačne ribozome ili, čak, na subjedinice ribozoma. Disagregacija poliribozoma ili fenomen gubljenja poliribozomske konfiguracije ima za posledicu da se u ćelijama nalazi mnogo usamljenih, odnosno neaktivnih ribozoma, a tek po nekoliko poliribozoma. Do ove pojave dolazi prilikom padogenih stanja ćelije.
Fiziološki tipovi
Poliribozomi se nalaze ili slobodni u citoplazmi ili su povezani sa unutrašnjim membranama ćelije. Slobodni poliribozomi podsećaju na kratke niske perli koje najčešće formiraju nezatvorene kružnice. Na ovim poliribozomima se formiraju polipeptidni lanci solubilnih citosolnih proteina, perifernih proteina citosolne površine unutarćelijskih i ćelijske membrane, proteina koji odlikuju matricu peroksizoma, kao i polipeptidni lanci najvećeg broja proteina koji učestvuju u izgradnji mitohondrija i, u biljnoj ćeliji, plastida.
Dužina
Postavlja se pitanje koliko je potrebno ribozoma da bude povezano sa informacionom RNK da bi taj poliribozom vršio sintezu proteina. Broj ribozoma u poliribozomu je odrećen složenošću proteina koji sintetiše, odnosno brojem aminokiselinskih ostataka proteina. Tako na primer hemoglobin je sastavljen od 150 aminokiselinskih ostataka i polizomi koji sintetišu ovaj protein se sastoje od svega 5 ribozoma. Nasuprot hemoglobinu, osnovni proteinski lanac miozina se sastoji od 1800 aminokiselinskih ostataka i u njegovoj sintezi učestvuje poliribozom koji sadrži 600 ribozoma. Međutim, uočeno je da u najvećem broju slučajeva postoje dva tipa polizoma: prvi tip ima sedimentacionu konstantu oko 170 S, odnosno 6 ribozoma, dok drugi tip ima sedimentacionu konstantu oko 240 S i sastoji se od 16-20 monozoma.
Slike
Ribozom tokom translacije
Prikaz ribozoma koji je u fazi sinteze proteina
Makrografija poliribozoma
Makrografija poliribozoma
Literatura
1. Glišić, Lj: Opšta citologija, Unija bioloških naučnik društava Jugoslavije, Beograd, 1980.
2. Grozdanović-Radovanović J: Citologija, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd, 2000.
3. Grupa autora: Enciklopedijski leksikon - Biologija, Interpres, Beograd, 1973.
4. Kojić M, Pekić S, Dajić Z: Botanika, Izdavačka kuća "Draganić", Beograd, 2004.
5. Pantić R, V: Biologija ćelije, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1997.
6. Popović Ž: Fiziologija biljaka - ishrana i metabolizam, Naučna knjiga, Beograd, 1987.
7. Sarić M: Fiziologija biljaka, Naučna knjiga, Beograd, 1975.
8. Šerban M. N: Ćelija - strukture i oblici, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd, 2001.
