авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

Учебно-методическое обеспечение для подготовки кадров

по программам высшего профессионального образования для тематического

направления ННС «Нанобиотехнологии»

_

Учебно-методическое обеспечение для подготовки магистров

по программам высшего профессионального образования

направления подготовки «Нанотехнология» с профилем

подготовки «Нанобиотехнологии»

М.З. Федорова, С.Д. Чернявских УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МАГИСТРОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ УДК 546 ББК 28.0 Ф 33 Ф 33 Федорова, М.З. Клеточная биология [текст]: учебно-мето дический комплекс для бакалавров по дисциплине / М.З. Федорова, С.Д. Чернявских. – М., 2010. – 231 с.

ISBN Охраняется законом РФ об авторском и смежном правах. Вос произведение всего учебно-методического комплекса или его любой части (в том числе в электронном виде) без письменного разрешения автора и издателя запрещается. Попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке.

ISBN © Федорова М.З., Чернявских С.Д., © НОУ ДПО «Институт информационных технологий “АйТи”», ЧАСТЬ 1:

ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ Федорова М.З., Чернявских С.Д.

ВВЕДЕНИЕ Курс «Клеточная биология» нацелен на формирование биологических основ познания молекулярной и морфо-функциональной организации живых систем на клеточном уровне в аспекте понимания неразрывного единства строения и функции, определяющего проявление фундаментальных крите риев живого (обмена веществ и энергии, саморегуляции, раздражимости, ритмичности, наследственности и изменчивости, роста, развития, размноже ния, энергозависимости и др.). В темах лекционного курса рассматриваются химическая и структурная организация клетки, морфологические особенно сти ее ядерного, метаболического и поверхностного аппаратов, определяю щих механизмы систем энергообеспечения, синтеза белков, секреции и про цессов протеолиза.

Большое внимание уделено изучению вопросов управления процессами меж- и внутриклеточной сигнализации, механизмам клеточной дифферен цировки, специализации, двигательной активности, пролиферации, их регу ляции, процессов самоорганизации как структурной основы клеточной ре парации и адаптации к условиям среды, интегральные формы клеточной ги бели – генетически запрограммированный апоптоз и свободно-радикальный некробиоз. Знания структурно-функциональной организации живых систем на клеточном уровне, современных методов ее изучения необходимы для методически грамотного подхода к организации и выполнению эксперимен тальных исследований в области клеточных технологий и нанобиотехноло гий по проблемам трансплантации, получения биотоплива, биодиагностике, адресной доставке лекарственных веществ, получения экологически здоро вой пищи, и др.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В КЛЕТОЧНУЮ БИОЛОГИЮ 1.1 Введение. Предмет и основные понятия клеточной биологии 1.1.1. Общие представления об организации клетки.

1.1.2. Химическая организация клетки.

1.1.3. Морфофункциональная организация клетки и ее молекулярные основы.

1.1.4. Основные методы изучения клетки.

1.1.1. Общие представления об организации клетки Клетка является элементарной самовоспроизводящейся единицей структуры и функции абсолютно всех живых существ, обитающих на планете Земля. Клеточная организация присуща одноклеточным микро организмам и многоклеточным макрообъектам. Несмотря на существова ние определенных различий между клетками различных систематических групп организмов, в каждой их них возможно выделение четырех основ ных структурно-функциональных подсистем, имеющих сходную молеку лярную организацию.

1) Все клетки отделены от внешней среды поверхностным аппаратом (оболочкой), состоящей из клеточной стенки и плазматической мембраны (плазмолеммы). Структурную основу плазмолеммы составляют амфифиль ные молекулы липидов, имеющие полярные гидрофильные и неполярные ги дрофобные участки, которые в водной среде самопроизвольно собираются в плоские слои – мембраны. При этом наблюдается строго упорядоченная ори ентация липидных молекул в билипидном слое – их гидрофобные участки оказываются обращенными внутрь мембраны, где контактируют друг с дру гом, а гидрофильные – наружу, формируя наружную и внутреннюю поверх ности мембраны. Кроме того, в структурную организацию мембран входят белковые молекулы – периферические, которые электростатически связаны с гидрофильной частью липидов, интегральные – гликопротеиды, пронизы вающие мембраны, полуинтегральные – частично погруженные в мембра ну и выступающие над ее поверхностью. Белки каждой группы определяют основные свойства и функции мембран.

У различных клеток эукариот, несмотря на вариации в химическом со ставе и строении мембранных белков и липидов, принципиальная органи зация цитоплазматической мембраны (в том числе и всех мембран клеточ ных структур) в целом одинакова, что определяет сходство выполняемых ими функций. Плазматические мембраны, как полупроницаемые барьеры, поддерживают неравновесную концентрацию химических веществ и осу ществляют трансмембранный обмен веществ между внутренней и внешней Федорова М.З., Чернявских С.Д.

средой клетки: различных субстратов – внутрь клетки, а продуктов ее жизне деятельности – наружу (Рис. 1, слайд 1).

Рис. 1.Схематическое изображение типичных животной и растительной клеток Эукариотичекая клетка обладает целым рядом структурных особенно стей, которые отсутствуют в более простой прокариотической клетке. Из эукариотических клеток состоят многие самые разнообразные организмы:

высшие растения, многоклеточные животные, грибы и одноклеточные аме бы. Отдельные клетки из различных частей какого-либо высшего организма могут существенно отличаться друг от друга по морфологии и функции. По этой причине на представленной схеме отражены лишь главные черты боль шинства эукариотических клеток.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Прокариотическая клетка – простейший тип живой клетки. К прокарио там относятся такие одноклеточные организмы, как бактерии и сине-зеленые водоросли. Определяющей особенностью прокариотической клетки являет ся наличие прямого контакта между ее хромосомой и цитоплазмой. Хромо сомы эукариотической клетки, напротив, заключены в мембранную структу ру – ядро. От эукариотических клеток прокариоты отличаются, кроме того, отсутствием митохондрий и хлоропластов, меньшими размерами рибосом, а также весьма ограниченной – из-за наличия клеточной стенки – способно стью выделять и поглощать крупные молекулы (Рис. 2, слайд 2).

Рис. 2. Схематическое изображение прокариотической клетки.

2) Наследственная информация во всех клетках хранится в виде двуспи ральной линейной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), где она записана в виде линейного текста из триплетных кодонов, состоящих только из четырех типов дезоксирибонуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С), комплементарных друг другу в парах А-Т и G-С.

Подобный генетический код однозначен (то есть каждый триплет кодирует определенную аминокислоту) и универсален (его основная часть одинакова для всех известных форм жизни). В этой связи следует указать, что в настоя щее время у отдельных организмов обнаружено несоответствие смысловой Федорова М.З., Чернявских С.Д.

нагрузки некоторых кодонов, что расценивается как существование своео бразных «диалектов», отражающих специфичность эволюции и функциони рования данных биологических объектов.

На линейной молекуле ДНК наследственная информация организова на в виде дискретных единиц – генов, несущих информацию о первичной аминокислотной структуре определенного белка и ограниченных «знаками пунктуации»: кодонами начала и конца трансляции. Самовоспроизведение самых разнообразных биологических объектов с сохранением наследствен ной информации в ряду поколений определяется возможностью удвоения двойной спирали ДНК, происходящего во всех клетках по универсальному полуконсервативному механизму.

3) Аналогично в любой клеточной системе имеется принципиально оди наково устроенный аппарат биосинтеза белков (трансляции), центральную роль в котором играют рибонуклеиновые кислоты (РНК). Их химическуцю основу составляют четыре рибонуклеотида: А, G, С и U (урацил), из которых только последний принципиально отличается от таковых в структуре ДНК, но по своим свойствам сходен с Т. Задействованные в процессе трансляции РНК представлены тремя типами молекул, первый из которых – матричная РНК (мРНК) – образуется в процессе транскрипции на определенном участ ке ДНК и несет в себе часть записанной в ней наследственной информации в виде «зеркально отраженных» триплетных кодонов. Второй тип – рибосо мальная РНК (рРНК) – составляет основу нуклеопротеидных частиц – рибо сом, каждая из которых всегда состоит из двух субъединиц разного размера (малой и большой). Третий тип – транспортные РНК (тРНК) – организован в виде «листков клевера» с расположенными под прямым углом друг к другу четырьмя двуспиральными фрагментами, а также участком связывания ами нокислоты и антикодоном, комплементарным смысловому кодону мРНК. Со вместное действие трех названных типов РНК обеспечивает процесс перево да информации, записанной в виде триплетных кодонов, в линейную после довательность аминокислот, формирующих первичную структуру белков.

4) Для всех клеток характерно существование еще одной подсистемы – ограниченной мембраной цитоплазмы с локализованными в ней фермента ми. Ферменты имеют белковую природу, образуются в процессе трансляции и функционально являются специфическими биологическими катализатора ми, способными на несколько порядков увеличивать скорость химических реакций.

Соответственно, разнообразие ферментов определяет возможность со вместного и скоординированного протекания множества биохимических реакций, процессов клеточного метаболизма – обмена веществ и энергии, определяющих своеобразие проявления органической жизни. Они представ КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ляют собой процессы метаболических превращений поступающих в клетку извне веществ с их расщеплением и образованием энергетических субстра тов (катаболизм, диссимиляция) и соединений-предшественников для син теза вновь образуемых компонентов клетки (анаболизм, ассимиляция). Все процессы клеточного метаболизма осуществляются под влиянием белков ферментов, которые играют важную роль и в функционировании всех опи санных выше структурно-функциональных подсистем.

Ни одна из подсистем клетки не способна к длительному самостоятель ному существованию, однако все вместе они образуют единую и принципи ально неупрощаемую биологическую систему, которая как раз и получила название «клетка». Предполагается, что подобным образом клетка сформи ровалась еще у гипотетического предка всех живых организмов (прогенота) около 4 млрд лет назад и с тех пор унаследована всеми представителями ор ганического мира, объединяемыми в Империю (Imperium) «Жизнь».

5) Эукариотическая клетка разделена внутренними мембранами на мно жество функционально различных отсеков (компартментов), каждый из кото рых имеет свой специфический набор ферментных и иных систем, обеспечи вающих специализацию на выполнении определенных функций. В перечень компартментов входят эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, секреторные пузырьки, пероксисомы, митохондрии и хлоропла сты (у фототрофов). Взаимодействие между отдельными компартментами у эукариот обеспечивается током цитоплазмы, везикулярным транспортом, процессами эндо- и экзоцитоза.

6) Эукариоты имеют трехмерную систему внутриклеточных белковых ни тей – цитоскелет, его основу составляют микротрубочки, промежуточные и актиновые филаменты. При этом цитоскелет, не будучи окружен элементар ной мембраной, не может признаваться компартментом в строгом определе нии этого понятия, но должен оцениваться как еще одна свойственная только эукариотическим клеткам и шестая по счету структурно-функциональная подсистема. Обсуждая роль цитоскелета в жизни эукариотической клетки, можно отметить, что входящие в его состав микротрубочки, помимо множе ства иных выполняемых ими функций, принимают участие в образовании жгутиков и ресничек, которые имеют диаметр 0,2 мкм, окружены наружной цитоплазматической мембраной и в поперечном сечении имеют характерное строение «9+2» (образованы двумя в центре и по периметру – девятью три плетами трубочек из сократимых белков).

У эукариотических организмов в процессе эволюции возник процесс по лового размножения, для которого характерны перемешивание и рекомбина ция родительских геномов, в результате чего образующиеся потомки генети чески и фенотипически отличаются как друг от друга, так и от обоих родите Федорова М.З., Чернявских С.Д.

лей. В основе данного процесса лежит особый тип деления клеток, ведущий к уменьшению числа хромосом в клетке и получивший название «мейоз».

У низших эукариот обычные клетки гаплоидны, единственной диплоидной клеткой является зигота, которая образуется в результате слияния гамет, су ществует очень не долго после оплодотворения и, переходя в мейоз, вновь порождает гаплоидные клетки, в дальнейшем делящиеся путем митоза. В свою очередь, у высших многоклеточных эукариот соматические клетки ди плоидны, а гаплоидными становятся только специализированные клетки, как раз образующиеся в процессе мейоза и называемые «гаметами». В типичном случае образуются гаметы двух типов: крупные неподвижные яйцеклетки и мелкие, способные передвигаться спермии.

1.1.2. Химическая организация клетки. Элементарный состав клетки В состав клетки входит около 80 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, которые встречаются и в неживой природе, что является доказательством общности живой и неживой природы, но содержание химических элементов в живых организмах иное, чем в неживых объектах окружающей среды (кремния в почве – 33%, а в тканях растений – 0,15%).

Клетки всех живых организмов содержат сходные элементы в близких количествах, что указывает на единство происхождения всех живых организмов. Химические элементы, входящие в состав клеток и выполняющие в них определенные функции, называют биогенными. В живых организмах они представлены в виде ионов и атомов в составе различных соединений – молекул неорганических и органических веществ. Неорганические вещества (соли, кислоты, основания, ионы) составляют от 1,0 до 1,5% массы клетки. Среди органических веществ преобладают белки (10-20%), жиры (1-5%), углеводы (0,2-2%), нуклеиновые кислоты (1-2%). Содержание низкомолекулярных веществ в клетке не превышает 0,5%.

По процентному содержанию химические элементы клетки подразделяют на 3 группы:

1. Макроэлементы – они составляют 99% от всей массы клетки. Из них 98% составляют биогенные элементы – кислород, водород, углерод, азот.

1% приходится на калий, натрий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, хлор. Концентрация макроэлементов в клетке составляет от 0,1 до 0,01%.

Способность углерода, кислорода, водорода и азота образовывать при взаи модействии друг с другом прочные ковалентные связи (как одинарные, так и двойные), а также способность атомов углерода образовывать углеродные цепи (линейные, циклические, разветвленные, поскольку один атом углеро да может образовывать ковалентные связи с 4 другими атомами углерода) КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ определяют многообразие молекул органических веществ. Кроме того, это многообразие связано со способностью органических веществ к структур ной и пространственной изомерии.

2. Микроэлементы – их общее содержание в клетке составляет менее 1% от массы клетки, а концентрация каждого составляет от 0,001 до 0,000001%.

К ним относятся: кобальт, фтор, никель, медь, цинк, йод, хром, марганец и др. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы играют важную роль. Они влияют на обмен веществ, так как входят в активные группы раз личных биологически активных соединений, их катионы являются катализа торами многих биохимических процессов.

3. Ультрамикроэлементы – их общее содержание в клетке составляет ме нее 0,01% от массы клетки, а каждого элемента в отдельности не превышает 0,000001%. К ним относятся: серебро, золото, уран, ртуть, селен, цезий и др.

Физиологическая роль большинства из них пока не установлена, но пред полагается, что они являются активными катализаторами многих процессов клеточного метаболизма.

Установлено, что клетки некоторых живых организмов могут накапливать определенные химические элементы. Так, морские водоросли накапливают йод, цианеи и клубеньковые бактерии – азот, галмейская фиалка – цинк, хвощ – железо, злаки – селен, моллюски и ракообразные – медь.

Неорганические вещества клетки представлены водой (70-85%), раство римыми и нерастворимыми минеральными веществами (1-1,5%).

Минеральные вещества клетки большей частью представлены солями в виде катионов (К+, Са+2, Мg+2, Nа+) и анионов (Сl–, НСО3-2, НРО4-2, Н2 РО4-).

Их концентрация в клетке и внеклеточной среде значительно отличается. Так, концентрация К+ внутри клетки очень высокая, а Nа+ – низкая. Напротив, в окружающей клетку среде очень мало К+и много Nа+. Учитывая, что ионов Nа+ значительно больше в многоклеточном организме, на внешней поверхности плазматических мембран формируется положительный заряд, а на внутренней – отрицательный. Пока клетка жива, эти различия стойко удерживаются, что обеспечивает протекание многих физиологических процес сов, связанных с функциями ее плазматической мембраны – активность ее рецепторов, ферментов, возникновение и передачу нервных импульсов и мн.

др. После смерти клетки быстро происходит выравнивание концентраций ионов во внутренней и внешней среде.

Ряд катионов активирует активность клеточных ферментов (так, кальций способствует сокращению миофибрилл). Катионы входят в состав сложных органических веществ (железо в составе гемоглобина, магний в составе хлорофилла, сера в составе аминокислот и др.), являясь их активным центром.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

От концентрации солей в клетке в большей мере зависит осмотическое давление, определяющее обмен воды между клеткой и средой, и буферные свойства гиалоплазмы клетки. Осмотическое давление определяется концентрацией органических и неорганических веществ в гиалоплазме. Вода перемещается из зоны низкой концентрации веществ в зону более высокой.

Буферные свойства проявляются в способности клетки сохранять реакцию (рН) ее содержимого на постоянном уровне – слабощелочную среду (рН = 7,2). Эти свойства обеспечиваются содержанием в клетке слабых кислот и их анионов (НСО3-, НРО4 -2, Н2РО4-, Н2СО3), которые при изменении рН среды в процессе клеточного метаболизма связывают избыток ионов водорода или отдают их, нормализуя тем самым условия клеточной среды.

Нерастворимые минеральные вещества входят в состав клеточных оболочек, включений, обеспечивают прочность и твердость межклеточного вещества костной ткани, раковин моллюсков, хитинового покрова членистоногих и др.

Вода. Вода составляет основу цитоплазмы, обеспечивает структуру и устойчивость ее коллоидов. Содержание воды в клетках колеблется от до 90%, в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток, их возраста и функциональной активности. Чем выше функциональная активность клеток, тем выше содержание в них воды, и наоборот. Так, в развивающихся клетках зародыша содержание воды – более 90%, молодого организма – 80%, в старых клетках – 60%. В клетках мозга воды до 85%, а в жировой ткани – 40%, в костной ткани – 20%. Потеря воды (обезвоживание) ведет к смерти клеток. У ряда одноклеточных имеются приспособления к выживанию в условиях дефицита воды (например, образование цист у животных, спор у бактерий).

Роль воды в клетках определяется ее структурой и химическими свойствами. Молекулы воды имеют малые размеры, обладают полярностью (являются диполем) и за счет этого образуют водородные связи, которые определяют жидкое состояние воды и ее текучесть. В связи с этим вода является универсальным растворителем для веществ, имеющих ионные и ковалентные полярные связи. Такие вещества называются гидрофильными (сахара, аминокислоты, простые спирты, кислоты, соли). Вода образует гидраты в том случае, если энергия притяжения молекул воды к атомам вещества оказывается больше, чем сила притяжения между атомами вещества. Если сила притяжения между атомами вещества больше, чем энергия притяжения между ними и молекулами воды, то вещество в воде нерастворимо и называется гидрофобным: липиды, каучук, жироподобные вещества и др. Для этих веществ характерны ковалентные неполярные связи.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Вода является основной средой, обеспечивающей протекание большинства химических реакций, так как вещества могут взаимодействовать между собой только в растворенном виде: их молекулы и ионы при этом могут свободно передвигаться, что обеспечивает возрастание их реакционной способности.

Вода является непосредственным участником и продуктом многих химических реакций в клетке (всех реакций гидролиза, нейтрализации, окисления и др.). Вода способна растворять газы. Проникновение различных веществ в клетку и выведение из нее продуктов жизнедеятельности возможно только в растворенном виде. Она определяет: протекание осмотических процессов, т. е. участвует в поддержании осмотического давления (осмоса);

определяет объем и форму клеток, их упругость;

тургор у растений.

Вода, обладая большой удельной теплоемкостью и теплопроводностью, обеспечивает поддержание определенного температурного режима в клетках за счет ее способности к образованию (с поглощением энергии) и разрыву (с выделением энергии) водородных связей. Теплопроводность обеспечивает равномерное распределение тепла по всей клетке.

Основные функции воды в клетке:

1. Универсальный растворитель;

2. Основная среда для протекания химических реакций, их участник и продукт;

3. Клеточный терморегулятор;

4. Осморегулятор, обеспечивающий ряд физических свойств и явлений клетки.

Органические вещества клетки. В различные типы клеток входят неодина ковые количества тех или иных органических веществ, однако функции каж дой их группы в любом типе клеток сходны. В растительных клетках преоб ладают сложные углеводы (полисахариды), а в животных – белки и липиды.

Биополимеры – органические высокомолекулярные соединения, молеку лы которых состоят из повторяющихся сходных по структуре низкомолеку лярных соединений (мономеров), связанных ковалентными связями. Моле кулы таких соединений называются макромолекулами, так как они имеют большую молекулярную массу. Полимеры, входящие в состав живых орга низмов, называются биополимерами. Если в состав полимера входят одина ковые мономеры или мономеры в определенной последовательности, то он называется регулярным (напр., полисахариды второго порядка). Если поли мер построен из разных мономеров без определенной закономерности, то его называют нерегулярным (напр., белки, нуклеиновые кислоты). Перестановка и новые сочетания нескольких типов мономеров в цепях нерегулярных по лимеров определяют различную структуру и свойства макромолекул.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Белки. Белки – биополимеры с большой молекулярной массой. Мономе рами белков являются аминокислоты. В состав белковых молекул входят аминокислот. Многообразие белковых молекул по их величине, структуре и функциям определяется качественным составом, количеством и порядком расположения в них аминокислот.

Каждая аминокислота является амфотерным соединением, обладающим одновременно кислотными свойствами (т. к. их молекулы содержат карбок сильную группу – СООН) и щелочными (содержат аминокислотную группу – NН2). Аминокислоты отличаются друг от друга только радикалами. Благо даря амфотерным свойствам, аминокислоты могут взаимодействовать друг с другом (за счет взаимодействия между амино- и карбоксильной группами).

При этом образуются прочные ковалентные (пептидные) связи:

Cоединения из 3 аминокислот называются трипептидами, из аминокис лот от 4 до 19 – олигопептидами, а из более чем 20 аминокислот – полипеп тидами.

Различные свойства и функции белков определяются уровнем простран ственной организации их молекул. Различают 4 уровня:

1. Первичная структура белковой молекулы определяется последователь ностью расположения в ней аминокислот. Эта последовательность закоди рована порядком расположения нуклеотидов во фрагментах (генах) двух цепочной молекулы ДНК. Прочность первичной структуры обусловлена пептидными связями в полипептидной цепи. Она определяет последующие уровни пространственной структуры белковых молекул, их уникальность и специфичность. Белки, имеющие только первичную структуру, являются функционально неактивными.

2. Вторичная структура белковой молекулы имеет форму спирали, которая устанавливается за счет образования между атомами соседних витков спирали многочисленных, хотя и слабых водородных связей (связи формируются меж ду электроотрицательными атомами кислорода карбоксильной группы одной аминокислоты и электроположительными атомами водорода аминогруппы другой, расположенными на разных витках спирали). Ряд белков, имеющих вторичную структуру, активно функционируют (это фибриллярные белки – коллаген, миозин, актин, фибриноген и др., имеющие форму волокон).

3. Третичная структура белковой молекулы формируется путем много кратного сворачивания спирали в трехмерное пространство – глобулу. Эта глобулярная структура поддерживается взаимодействиями аминокислотных радикалов, их гидрофильными и гидрофобными взаимодействиями (напр., слабыми дисульфидными -S-S- связями), ионными и водородными связями.

В такой форме активно функционирует большинство белковых молекул (аль бумины, глобулины).

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 4. Четвертичная структура белковой молекулы представляет собой более высокий уровень организации, при котором несколько глобулярных молекул объеденяются в единую систему (например, молекула гемоглобина состоит из 4 глобул и геминовой группы, содержащей ион двухвалентного железа) за счет молекулярных, ионных или электростатических связей.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Она может возникать под воздействием химических (кислот, щелочей, спирта, солей тяжелых металлов и др.) и физических (высокая температура и давление, ионизирующее излучение и др.) факторов. Сначала разрушается четвертичная, затем третичная, далее – вторичная, а при бо лее жестких условиях – и первичная структура. Если первичная структура не разрушена, то при восстановлении условий среды и устранения действия повреждающего фактора, структура белковой молекулы восстанавливается – происходит ренатурация. Это свойство белков используется для приготов ления вакцин и сывороток в фармакологии, для получения пищевых концен тратов в пищевой промышленности.

Белки обладают рядом физико-химических свойств, связанных с их структурной организацией и определяющих функциональную активность их молекул. Свойства белков:

1. Белки – преимущественно водорастворимые соединения и могут про являть свою функциональную активность только в водном растворе. Обезво живание ведет к разрушению структурной организации белков.

2. Белковые молекулы несут большой поверхностный заряд, который определяет целый ряд электрохимических эффектов (каталитическую актив ность, проницаемость клеточных мембран).

3. Белки термолабильны, т.е. проявляют свою активность в узком темпе ратурном диапазоне.

4. Белки проявляют свою активность при определенных значениях рН среды.

По химическому составу белки делятся на 2 большие группы:

а) простые белки (пептиды) – состоят только из аминокислот;

б) сложные белки – состоят из белковой и небелковой части (ионов метал лов, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, остатков фосфорной кислоты;

соответственно, сложные белки называются: металлопротеиды, гликопро теиды, липопротеиды, нуклеопротеиды, фосфопротеиды).

Функции белков:

• пластическая (строительная): белки входят в состав плазматических мембран, гиалоплазмы, наследственных структур ядра;

• каталитическая (фермертативная): ее выполняют белки-ферменты;

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

• транспортная: перенос белковыми молекулами ионов, газов (кислоро да и углекислого газов – гемоглобином), питательных веществ;

• двигательная: обеспечивается сократительными белками (актином, миозином), которые содержатся во всех миофибриллах, ресничках, жгу тиках;

• защитная: связана с выработкой клетками крови (лейкоцитов) антител (иммуноглобулинов), которые связывают и тем самым устраняют активность чужеродных белков или микроорганизмов. К этой группе относятся и такие белки крови, как фибрин и тромбин, участвующие в свертывании крови;

• рецепторная: осуществляется гликопротеидами клеточных мембран, молекулы которых могут изменять свою структуру под влиянием многих физических и химических факторов, вследствие чего изменяется интенсив ность обмена веществ и энергии клетки в соответствии с условиями среды;

• энергетическая: при полном ферментативном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии;

• регуляторная: осуществляется белками-гормонами, которые оказыва ют влияние на физико-химические свойства клеток и на интенсивность про текания биохимических процессов (на обмен веществ и энергии).

Углеводы (сахариды) – одна из основных групп органических веществ клетки. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза и ис ходные соединения для биосинтеза других групп органических веществ (аминокислот, органических ислот, жирных кислот) как в растениях, так и в клетках всех живых организмов. Их содержание в животных клетках состав ляет приблизительно 1-2%, а в растительных клетках – от 85 до 90% массы сухого вещества клетки. К углеводам относится большая группа разнообраз ных по строению веществ, но для них характерна общая формула Сn(Н2О ) n. Углеводы делятся на простые (моносахариды) и сложные – полисахариды первого (олигосахариды) и второго порядка.

Моносахариды – кристаллические, гидрофильные вещества, имеющие сладкий вкус, – являются мономерами сложных углеводов. Их молекулы имеют постоянную молекулярную массу. Среди них по числу атомов углеро да различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С) и другие. В природе наиболее часто встречаются пентозы (дезоксирибо за, рибоза) и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Глюкоза – универсальный ис точник энергии для клеток всех живых организмов.

Полисахариды первого порядка состоят из от 2 до 10 молекул моноз. Это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус, имеют постоянную молекулярную массу. К ним относятся дисахариды, три сахариды, тетрасахариды и др. Среди дисахаридов наиболее распростране ны сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (мо КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ лочный сахар). В молекулах олигосахаридов молекулы моноз соединяются гликозидными связями.

Полисахариды второго порядка – нерастворимые полимерные вещества, так как с увеличением количества мономеров в полимере растворимость последних уменьшается, исчезает сладкий вкус. Их молекулы включают в себя более 10 молекул моноз и не имеют постоянной молекулярной массы. Их молекулы могут быть линейными (целлюлоза) и разветвленными (гепарин).

Полисахариды второго порядка делятся на гомополисахариды – состоят из молекул моноз одного типа (крахмал, целлюлоза состоят только из глюкозы) – и гетерополисахариды – состоят из нескольких различных молекул моноз (гепарин). При гидролизе сложные полисахариды расщепляются сначала до олигосахаридов, которые далее гидролизуются до моноз.

Важнейшими полисахаридами второго порядка в клетках являются:

а) структурные полисахариды – целлюлоза (ее линейные молекулы являются основным компонентом клеточных мембран) и хитин (входит в состав клеточных оболочек грибов и составляет основу наружного скелета у членистоногих животных);

б) резервные (запасающие) полисахариды – крахмал (в клетках растений) и гликоген (в клетках животных).

Основные функции углеводов: структурная;

резервная, энергетическая – при окислении 1 г углеводов до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии.

Липиды – большая группа органических соединений, которые содержатся в клетках всех живых организмов. Они нерастворимы в воде (гидрофобные соединения), но хорошо растворимы в неполярных органических раство рителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Липиды отмечаются большим разнообразием химической структуры, но настоящие липиды – это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Большинство липидов являются сложными эфирами 3-атомного спирта глицерина и 3-х остатков жирных кислот. Эти соединения называются триглицеридами.

Среди этой группы различают жиры и масла, в зависимости от их состоя ния при комнатной температуре: жиры являются твердыми, а масла – жид кими. Температура плавления липида зависит от его химического состава – от доли содержания в нем ненасыщенных жирных кислот. Жирные кисло ты – небольшие молекулы с длинной цепью из атомов углерода, водорода и карбоксильной группы (– СООН). Они бывают насыщенными (имеют толь ко одинарные ковалентные связи между атомами углерода в радикальной цепи) и ненасыщенными (их молекулы содержат одну или несколько двой ных связей между атомами углерода в цепи радикала). В маслах присутству ют в основном ненасыщенные жирные кислоты, а в жирах – насыщенные.

В организме арктических животных, живущих в холодном климате, больше Федорова М.З., Чернявских С.Д.

содержится ненасыщенных жирных кислот, поэтому их тело остается гиб ким и при низких температурах среды.

Важнейшими группами липидов являются стероиды (желчные кислоты, холестерол, половые гормоны, витамин D и др.), терпены (ростовые вещества растений), воска, липопротеиды, гликолипиды, фосфолипиды (входят в состав клеточных мембран, определяя их полупроницаемость).

Функции липидов:

– энергетическая – при окислении 1 г липидов до конечных продуктов выделяется 38,9 кДж энергии;

– запасающая: животные, впадающие в спячку, и семена растений нака пливают соответственно жиры и масла. Высокое содержание липидов в се менах обеспечивает их энергией в процессе развития зародыша и проростка.

Семена многих растений являются сырьем, из которого получают масла (ку курузное, кокосовое, подсолнечное и др.);

– терморегуляторная: обладают низкой теплопроводностью и тем самым обеспечивают поддержание постоянного температурного режима клетки;

– источники эндогенной воды (при окислении 100 г жира образуется при близительно 105 -107 г воды. Эта метаболическая вода имеет важное зна чение для жизнедеятельности обитателей засушливых мест (верблюд обхо дится без потребления воды в течение 10-12 дней за счет окисления запасов жира в его горбе), животных, впадающих в спячку (сурков, медведей);

– структурная: липиды входят в состав плазматических мембран, образуя двойной липидный слой;

– являются основой для синтеза стероидных гормонов (надпочечников и половых желез).

1.1.3. Внутренний объем клетки разделен на компартменты (органеллы).

Наиболее кратко органеллу можно определить как «субклеточную еди ницу, которая ограничена мембраной и выделяется центрифугированием на высокой скорости». Более подробная характеристика позволяет назвать сле дующие, общие для всех них, свойства:

1) органеллы окружены одинарными или двойными липидно-белковыми мембранами, сходными в основных чертах своей молекулярной организации, но отличающимися вариациями в белковом и липидном составе;

2) все органеллы являются динамическими структурами и могут увеличи ваться или уменьшаться в размере, но не могут формироваться de novo – этот процесс требует информации в виде рудимента или матрицы существующей органеллы;

3) каждый компартмент имеет свой специфический набор ферментных и иных систем, специализирующихся на выполнении определенных функций;

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 4) взаимное расположение органелл в клетке нехаотично – каждый ком партмент занимает положение, оптимальное для выполнения его специали зированной функции;

5) движение веществ из одной органеллы в другую происходит упорядо ченно и целенаправленно, что обеспечивается двумя механизмами переноса:

потоком белков и потоком пузырьков (везикул).

В соответствии с этими определениями, общими для всех эукариотиче ских клеток, компартментами являются: ядро, эндоплазматический рети кулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии (Табл. 1).

Кроме того, в растительных клетках присутствует еще один тип органелл – хлоропласты. Согласно тем же определениям, наружная цитоплазматиче ская мембрана, цитоскелет и цитозоль не являются органеллами и должны рассматриваться как иные клеточные структуры (Слайд 1).

Таблица Основные органеллы и подсистемы эукариотической клетки (на примере печеночной клетки - гепатоцита) Федорова М.З., Чернявских С.Д.

1.1.4. Основные методы изучения клетки В настоящее время широко применяются экспериментальные методы ис следования биологии клетки, позволяющие вести наблюдения на живых объ ектах, моделировать различные процессы. Изучение микроструктур ведется на молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом уровнях с помощью ми кроскопирования в различных системах светооптических и электронных ми кроскопов, методов цито- и гистохимии, авторадиографии, биометрии. Коли чественный анализ структур включает в себя применение математического мо делирования, компьютеров, специализированных автоматических устройств.

Методы цитологических исследований подразделяют на 2 группы: 1) ме тоды исследования живых клеток и тканей (in vivo);

2) методы исследования неживых объектов.

Изучение живых клеток и тканей позволяет получить информацию об их жизнедеятельности – проследить деление, движение, разрушение, рост, взаимодействие клеток. Первая группа методов включает следующие разно видности:

1. Прижизненные исследования клеток в организме (in vivo): метод вживле ния прозрачных камер;

метод трансплантации крови и костного мозга от здо ровых животных-доноров животным-реципиентам, подвергнувшимся смер тельному облучению.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 2. Витальное и суправитальное окрашивание.

При витальном окрашивании клеток и тканей краситель вводится в ор ганизм животного, при этом он избирательно окрашивает определенные клетки, их органеллы и межклеточное вещество. Например, с помощью три панового синего выявляют фагоциты, а с помощью ализарина – новообразо вательный матрикс кости. Суправитальным окрашиванием (in vitro) называ ется окрашивание живых клеток, выделенных из организма. Таким способом выявляют молодые формы эритроцитов – ретикулоциты (краситель – брил лиантовый крезиловый синий), митохондрии в клетках (краситель – зеленый янус), лизосомы (краситель – нейтральный красный).

3. Метод культуры тканей. Клетки и ткани выращивают вне организма, на специальных питательных средах, которые близки по своему составу к тка невой жидкости или плазме крови. Этот метод дает возможность наблюдать как прижизненное строение, так и деление клеток, влияние на клетки различ ных химических и физических раздражителей. Использование этого метода позволило выявить ряд закономерностей дифференцировки злокачественно го перерождения клеток, клеточных взаимодействий, взаимодействий клеток с вирусами и микробами.

4. Методы клонирования. В 1974-75 гг. Келлер и Мильштейн разработали методику получения гибридных клеток, одна из которых – опухолевая, дру гая – нормальный лимфоцит. В результате получили клетки неограниченно делящиеся, синтезирующие продукты нормального лимфоцита – антитела.

Такие клетки назвали гибридомами, а получаемые от них антитела называют моноклональными.

Клонирование генов – это молекулярное клонирование, получение боль шого числа копий чистого гена и вслед за ним – чистого клона молекул белка, кодируемого этим геном. В 1983 г. Мюлпис описал методику полимеразной цепной реакции – ПЦР. Реакция выполняется следующим образом. В одну пробирку вносят все компоненты реакции: смешивают ДНК (содержащую искомый ген), два вида олигонуклеотидных праймеров, один из которых ком плементарен последовательности нуклеотидов одной из цепей ДНК в нача ле гена, второй – комплементарен последовательности нуклеотидов второй цепи ДНК в конце гена;

добавляют 4 типа дезоксирибонуклеотидтрифосфа тов (из которых строится ДНК), термостабильную ДНК-полимеразу, солевой буфер. Пробирку тщательно закрывают и не открывают до конца реакции.

Один цикл реакции включает следующие этапы: 1) термоденатурация (про бирку нагревают до 94-960С в течение 1-2 мин., при этом двойные спирали ДНК расходятся);

2) отжиг праймера (пробирку охлаждают до оптимальной температуры 40-600С);

3) элонгация – биосинтез двойной спирали ДНК (тем пература 720С). В результате одного цикла получают две копии заданного Федорова М.З., Чернявских С.Д.

гена. Общее время цикла – 5-10 млн. За 20 циклов получают 1 млн одинако вых копий искомого гена.

Метод нокаута генов – это метод получения клеток или целых организ мов, в которых целенаправленно разрушен определенный ген. Для осущест вления этого метода необходимо иметь: клонированный заданный ген, два «методических гена» для селекции искомых клеток с удачно инактивирован ным геном и соответствующую селективную среду культивирования;

уни кальную линию стволовых эмбриональных клеток. Этот метод основан на феномене гомологичной рекомбинации. Если в клетку ввести отдельный ген, то он в состоянии найти в хромосомах гомологичный себе ген и вступить с ним в гомологичную рекомбинацию, т. е. произвести обмен участками ДНК.

С целью направленного мутагенеза или нокаута заданного гена в клетку вво дят умышленно поврежденный экзоген, который находит одноименный ин тактный ген, вступает с ним в гомологичную рекомбинацию, и в результате в хромосоме появляется поврежденный участок.

Для изучения фиксированных объектов используют:

1. Цитохимические методы. Позволяют выявлять локализацию различ ных химических веществ в структурах клеток, тканей и органов. Эти методы основаны на специфичности реакций между химическим реактивом и суб стратом, входящим в состав клеточных и тканевых структур, и окрашивании продуктов реакции.

2. Метод радиоавтографии. Позволяет анализировать распределение в клетках и тканях предварительно введенных в организм веществ, меченных радиоактивными изотопами. Радиоактивные вещества в гистологических срезах обнаруживают с помощью фотоэмульсии, которую наносят на пре парат и затем проявляют. В участках препарата, где фотоэмульсия соприка сается с радиоактивным веществом, происходит фотореакция, в результате которой образуются засвеченные участки (треки).

3. Метод иммунофлюоресцентного анализа. Используется для изучения дифференцировки клеток, выявления в них специфических химических сое динений и структур. Метод основан на реакциях антиген–антитело, продук ты реакции окрашиваются и выявляются в люминесцентном микроскопе.

В настоящее время наряду с качественными методами разработаны и ко личественные гистохимические методы определения в клетках и тканях со держания различных веществ:

1. Цитоспектрофотометрия – метод количественного изучения внутри клеточных веществ по их абсорбционным спектрам.

2. Цитоспектрофлюриметрия – метод количественного изучения внутри клеточных веществ по спектрам их флюоресценции на одной заранее вы бранной длине волны.

3. Интерферометрия – метод оценки сухой массы и концентрации плот ных веществ в живой и фиксированной клетках.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ РАЗДЕЛ 2. МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ 2.1. Ядерный аппарат клетки 2.1.1. Ядерная оболочка. Ядерный матрикс (Слайд 2).

2.1.2. Структура и химический состав клеточного ядра:

а) молекулы генетического аппарата;

б) упаковка ДНК в хромосомах;

в) ядрышко, строение и функции.

2.1.3. Аппарат экспрессии генов. Биосинтез белка.

2.1.1. Ядерная оболочка. Ядерный матрикс Ядро клетки обеспечивает две группы общих функций: одну – связанную собственно с хранением и передачей генетической информации;

другую – с ее реализацией и регуляцией синтеза белка. Ядра присутствуют в клетках эукариот одно- и многоклеточных животных, растений и грибов (Слайд 3).

Устойчивость структурной организации молекул ДНК обеспечивает хра нение наследственной информации. Кроме того, в ядре постоянно действуют репарационные ферменты, которые ликвидируют спонтанные повреждения молекулы ДНК. Способность молекул ДНК к редупликации определяет воз можность точного воспроизводства наследственного аппарата перед подго товкой клеток-эукариот к митозу, как основной форме деления, в результате которой образуются дочерние клетки с одинаковыми в качественном и коли чественном отношении объемами генетической информации.

Другой группой клеточных процессов, обеспечиваемых активностью ядра, является создание собственного аппарата белкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных и-РНК, но и транс крипция т-РНК и р-РНК, как необходимых компонентов для сборки пептид ных цепей на рибосомах цитоплазмы. В ядре происходит также образование субъединиц рибосом путем компенсирования синтезированных в ядрышке рРНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и пере носятся в ядро. Таким образом, ядро является не только вместилищем гене тического материала, но и местом, где этот материал функционирует и вос производится.

Ядерная оболочка состоит из двух элементарных мембран, внешней и внутренней, разделенных перенуклеарным пространством шириной от 20 до 60 нм. Наружная мембрана имеет складчатую структуру, ее выросты обе спечивают связь с мембранными компонентами цитоплазмы и через нее – с Федорова М.З., Чернявских С.Д.

плазматической мембраной. Кроме того, на ее поверхности располагается большое количество рибосом. Внутренняя мембрана гладкая. Характерной особенностью ядерной оболочки является присутствие особых пор, которые образуются за счет многочисленных зон слияний двух ядерных мембран и представляют собой округлые перфорации.

Основные функции ядерной оболочки:

1) Барьерная – ядерная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, отграничивает свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров.

2) Регуляторная – регулирует транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Транспорт субъединиц рибосом, ферментов и других крупных гидрофобных молекул идет через перенуклеарное пространство.

3) Участие в создании внутриядерного порядка – фиксация хромосомно го материала в трехмерном пространстве ядра. Внешняя мембрана ядерной оболочки контактирует с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных осо бенностей, а именно, большое количество рибосом, позволяющих относить ее к собственно мембранной системе ЭПС. Внешняя ядерная мембрана мо жет переходить в мембраны ЭПС.

Внутренняя мембрана контактирует с наследственным материалом. В ин терфазе часть хроматина структурно связана с внутренней ядерной мембра ной. Эта связь опосредуется с помощью подмембранного слоя фибрилляр ных белков, ламины. В состав этого слоя входят белки, которые родственны промежуточным филаментам цитоплазмы. С этими белками специфически связываются фибриллы хроматина.

Наиболее характерными структурами ядерной оболочки являются ядер ные поры. Они образуются за счет слияния двух ядерных мембран в виде округлых сквозных отверстий или перфораций диаметром 80-90 нм. Эти от верстия в ядерной оболочке заполнены сложно-организационными глобуляр ными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфора ций и этих структур называют комплексом поры. Такой сложный комплекс поры имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются 3 ряда гранул по 8 в каждом: один ряд ле жит со стороны ядра, другой – со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части поры. Размер гранул – 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму, поперек поры. В центре отверстия поры часто располагается центральная гранула.

Комплекс ядерной поры в функциональном отношении представляет со бой сложную систему, которая активно участвует не только в рецепции транс портирующих молекул, но и собственно в актах их переноса, транслокации, КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ при которых используется АТФ. В состав каждого комплекса ядерной поры входит несколько сотен различных белков.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов низших позвоночных во время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина в ядре обнаруживает ся около 30 ядерных пар на 1 мкм2. В ядерных оболочках полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются. В среднем на одно ядро приходит ся несколько тысяч поровых комплексов. Количество пор может изменяться в течение клеточного цикла. Первое возрастание числа пор наблюдается при реконструкции и росте ядер после митоза, второй этап увеличения числа пор происходит во время ДНК.

При митозе у большинства видов (за исключением амебы, эвгленовых, инфузорий, динофлагеллятов, некоторых водорослей, некоторых грибов) ядерная оболочка разрушается и снова возникает после деления. Это так на зываемый открытый тип митоза.


В профазе по мере конденсации хромосом ядерная оболочка теряет с ними связь, а затем в ней появляются разрывы. Она приобретает вид плоских мем бранных цистерн. Ядерные поры исчезают, в дальнейшем ядерная оболоч ка превращается в скопление мелких мембранных пузырьков, окружающих зону большого интерфазного ядра. Во время митоза белки ядерной оболочки (белок ламин) подвергаются обратимой разборке. В конце анафазы начина ется реконструкция ядерной оболочки, и пусковым сигналом этого процесса является деконденсация хромосом.

Если искусственно вызвать деконденсацию метафазных хромосом, то они быстро контактируют с мембранными пузырьками и одеваются каждая своей отдельной ядерной оболочкой, вследствие чего возникает множество микро ядер, каждое из которых возникло из одной хромосомы.

В химическом отношении ядерная оболочка не отличается от всех дру гих клеточных мембран. Основными химическими компонентами являются липиды (13-35%) и белки (50-75%). Ядерная оболочка характеризуется от носительно низким содержанием холестерина и высоким – фосфолипидов, обогащенных ненасыщенными жирными кислотами. Во внутренней ядер ной мембране мало сфингомиелина.

Белковый состав очень сложен. Среди белков обнаружен ряд ферментов, общих с ЭПС (глюкоза-6-фосфатаза, Мg – зависимая АТФаза), выявлены окислительные ферменты (цитохромоксидазы, цитохромредуктазы) и раз личные цитохромы. Во фракциях ядерных мембран обнаружены компонен ты реакций окислительного фосфорилирования. Окисление и окислительное фосфорилирование в ядерной мембране используется для снабжения энерги Федорова М.З., Чернявских С.Д.

ей процессов, происходящих в клеточном ядре и усиливается во время роста и развития. Во фракциях ядерной оболочки обнаруживаются белки типа ги стонов и РНК, главным образом рибосомополая.

Ядерный матрикс. Негистоновые белки интерфазных ядер образуют вну три ядра структурную сеть, которая называется «ядерный белковый матрикс», представляющую собой основу, определяющую морфологию и метаболизм ядра. Ядерный матрикс представлен периферическим фибриллярным слоем, подстилающим ядерную оболочку, – ламиной. Кроме того, матрикс образует внутриядерную сеть, к которой крепятся фибриллы хроматина.

Функциональная роль матрикса заключается в поддержании общей фор мы ядра, в организации не только пространственного расположения в ядре многочисленных и деконденсированных хромосом, но и в организации их активности. На элементах ядерного матрикса располагаются ферменты син теза РНК и ДНК. Белки ядерного матрикса участвуют в дальнейшей компак тизации ДНК в интерфазных и митотических хромосомах.

2.1.2. Структура и химический состав клеточного ядра а) Молекулы генетического аппарата. Химический состав и структура ДНК.

ДНК – это полимер, состоящий из 4 родственных мономеров (нуклеоти дов). Нуклеотид содержит одно из 4 гетероциклических азотистых основа ний: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) или тимин (Т), связанных дезок сирибофосфатом (Слайд 4). Длинные полинуклеотидные цепи образуются путем соединения дезоксирибозных остатков соседних нуклеотидов с по мощью фосфодиэфирных связей. Каждый фосфат соединяет гидроксильную группу (ОН-) при 3-углеродном атоме дезоксирибозы одного нуклеотида с ОН-группой при 5’-углеродном атоме дезоксирибозы соседнего нуклеотида.

С использованием рентгеноструктурных, электронно-микроскопических, физико-химических методов анализа показано, что большинство молекул ДНК представляют собой протяженные, гибкие, нитевидные структуры.

Обычно молекула ДНК находится в форме двойной спирали, образуемой двумя полинуклеотидными цепями, обвивающимися одна вокруг другой.

Два дезоксирибофосфатных остова, расположенных по периферии молеку лы, имеют антипараллельную ориентацию. В наиболее часто встречающейся форме пуриновые и пиримидиновые основания в каждой цепи уложены в стопки с интервалом 0,34 нм и направлены внутрь спирали;

плоскости колец примерно перпендикулярны оптической оси спирали. Спираль делает пол ный оборот каждые 3,4 нм, т. е. через каждые 10 оснований. На наружной ее поверхности имеются два желобка – большой и малый. Азотистые основа КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ния четырех нуклеотидов не находятся между собой в количественном соот ношении 1:1. Напротив, молярные отношения двух пуринов – A и G и двух пиримидинов Т и С различны для ДНК разных организмов. В то же время соотношение между пуринами и пиримидинами постоянно и не зависит от источника ДНК, а именно: содержание пуриновых нуклеотидов (A+G) всег да равно содержанию пиримидиновых (Т+С);

число А равно числу – Т, число G равно числу С. Эти факты легли в основу предположения, что пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды в ДНК спарены, а двойная спираль стабили зируется с помощью водородных связей между пуринами одной цепи ДНК и пиримидинами другой (Слайд 5). АТ и GC называют комплементарными парами, между А и Т две водородные связи, между G и С – три. Ключевое свойство ДНК – комплементарность последовательностей оснований в двух полинуклеотидных цепях. Дополнительная стабилизация двойной спирали обеспечивается межплоскостными взаимодействиями ароматических колец соседних оснований. Диаметр спирали постоянен, число пар оснований на виток равно 10.

Альтернативные формы двойной спирали. Описанное выше строение ха рактерно для В-формы двойной спирали ДНК (Слайд 6). Известны два дру гих типа двойной спирали (Слайд 7). Они образуются благодаря тому, что валентные углы между основаниями и сахаром могут меняться, а дезоксири бозное кольцо и сахарофосфатный остов достаточно гибки. Редко встречаю щаяся А-форма существует только при пониженной влажности, отличается от В-формы тем, что плоскости оснований составляют с перпендикуляром к оси спирали угол 200. Поэтому расстояние между парами оснований по вер тикали уменьшается до 0,29 нм, а число пар на виток увеличивается до 11-12.

Биологическая функция А-формы пока неизвестна.

Характерной особенностью В-формы ДНК является то, что сахарофос фатные остовы обеих цепей образуют правую спираль. Однако при опреде ленных условиях участки ДНК, для которых характерно чередование пури новых и пиримидиновых нуклеотидов, принимают форму спирали. При этом расстояние между соседними парами оснований увеличивается до 0,77 нм, а число пар на один виток составляет 12. Остов молекулы ДНК имеет зигза гообразный вид, поэтому такая форма получила название Z-формы. Вопрос о том, существует ли Z-ДНК в естественных условиях и образуется ли она в определенных участках В-спирали под действием специфических белков, способных переводить В-форму в Z- форму, сейчас интенсивно исследуется.

б) Упаковка ДНК в хромосомах. Хромосомы эукариот в интерфазном со стоянии представляют собой хроматин. Во время интерфазы хромосомы теряют свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Зоны полной деконденсации хромосом и их участков морфологи называют эух Федорова М.З., Чернявских С.Д.

роматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре вид ны участки конденсированного хроматина, называемого гетерохроматином.

Степень деконденсации хромосомного материала – хроматина в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем «диффуз нее» распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее в нем син тетические процессы. Максимально конденсирован хроматин во время ми тотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец хромосом. В этот момент хромосомы не выполняют никаких синтетических функций.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух структурно функциональных состояниях: в активном, рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;

и в неактивном, в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

В структуре хроматина выявлены элементарные хромосомные фибрил лы толщиной от 20-25 нм. В химическом отношении фибриллы хромати на представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав которых входят ДНК и специальные хромосомные белки – гистоновые и негистоновые. В составе хроматина обнаруживается также РНК. Негистоновые белки составляют 20% от количества гистонов. Гистоны – щелочные белки, обогащенные аминокислотами (лизином и аргинином).

Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, а гистоны Н2А и Н2В ковалентно связаны с белком убиквитином. Гистоны расположены по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входят молекул гистонов, образуя нуклеосому. Размер нуклеосомы – 10 нм. В состав хромосом эукариот входят 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Четыре последние гистона называются нуклеосомными, т. к. принимают участие в формировании специфического ДНК-комплекса – нуклеосомы. Гистон Н состоит примерно из 215 аминоксилот, образует самостоятельную группу гистонов в каждой клетке. Он представлен несколькими очень сходными раз новидностями. Молекулы каждого класса гистонов содержат спирализован ный участок, состоящий из 70-80 аминокислотных участков, скрученных в глобулу. Диаметр такой глобулы – 25 нм. По две молекулы от каждого типа нуклеосомных гистонов образуют нуклеосомы. На нуклеосомный кор (Слайд 8) намотан сегмент хромосомной ДНК длиной 145 пар оснований, которая связывает и соединяет нуклеосомы в цепочку, тянущуюся на протяжении всей хромосомы. Вокруг каждой нуклеосомы ДНК совершает 2,5 оборота.

Молекула гистона Н1 не входит в состав нуклеосомного кора, а контактирует КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора (Линкерные участки), то есть Н1 прикреплена в межнуклеосомных участ ках по 1 молекуле Н1 между 2 нуклеосомами. Участки ДНК, расположенные между нуклеосомами, называют Линкерными участками. Эти участки имеют разную длину, но в среднем они составляют 60 пар нуклеотидов. Нуклеосом ная частица в совокупности с Линкерным участком образует минимальную (элементарную) нуклеосому. Гистоны, образующие сердцевину нуклеосом, сильно основные, до 25%, образованы: лизином, аргинином, гистидином.


Ген среднего размера состоит из 6 нуклеосом.

Хроматин как совокупность всех хроматид может находиться в различ ных функциональных состояниях (Слайд 9). В интерфазном ядре он функци онально активен, но после репликации молекул ДНК удвоенные хроматиды, спирализуясь, переходят в неактивные двухроматидные хромосомы. Самый элементарный уровень компактизации хроматина – нуклеосомный – обра зует сверхскручивание ДНК по поверхности гистоновой сердцевины – «бу синки на нитке». При конденсации образуются структуры более высокого порядка: 2 уровень – нуклеомерный (сверхбусина) – идет объединение 8- нуклеосом в виде глобулы;

3 уровень – хромомерный: петли фибрилл ДНП, объединенные негистоновыми фибриллами, образуют компактные тела;

уровень – хромонемный – сближенные в линейном порядке хромомеры об разуют толстые хромосомные нити;

5 уровень – хромосомный, самый вы сокий уровень упаковки, образуется в результате 5000-кратной конденсации дуплекса ДНК с 5 гистонами в метафазе митоза.

Каждая метафазная хромосома (Слайд 10) – палочковидная структура определенной формы, состоит из двух идентичных сестринских хроматид, представленных дочерними молекулами ДНП, синтезированными в резуль тате репликации молекул ДНК в S-периоде интерфазы. У большинства ана фазных (однохроматидных) хромосом выделяют зону первичной перетяж ки (центромеры, кинетохор – сложная белковая структура, имеющая форму овальной пластинки, связанной с ДНК центромерного района хромосомы).

Центромера делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными или поч ти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины – субметацентрическими, палочковидные с очень коротким, почти не заметным плечом – акроцентрическими.

В структурно-функциональном отношении кинетохор плохо изучен, тем не менее, он является одним из центров полимеризации тубулинов, от него отрастают пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направ лении к центриолям клеточного центра. Эти пучки микротрубочек принима ют участие в движении однохроматидных хромосом к полюсам клетки при их делении. Хромосомы с одной центромерой называются моноцентриче Федорова М.З., Чернявских С.Д.

скими, но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентриче ские, обладающие множественными кинетохорами.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, располагающуюся вблизи одного из концов хромосомы и отделяющую ее маленький участок – спутник хромосомы. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми орга низаторами, т. к. именно в этих участках хроматид находятся участки ДНК, ответственные за синтез рРНК в интерфазе.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами – конечными участками. Те ломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосома ми или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, которые могут при соединяться к разорванным участкам других хромосом. Размеры хромосом, их число варьируются в широких пределах у разных видов. Длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы: у простейших, грибов, водорослей, у льна;

самые длинные – у некоторых прямокрылых на секомых, амфибий, лилейных. Длина хромосом человека колеблется в преде лах 1,5-10 мкм.

Совокупность качественных (форма) и количественных (число и размеры) признаков хромосомного набора в соматических клетках называется карио типом. Структура кариотипа является таксономическим видовым признаком, используемым в систематике живых организмов Число хромосом в кариотипе всегда четное, т. к. его составляют по две одинаковые по форме и размерам хромосомы: одна происходит из отцовско го организма, а другая – из материнского. Такие хромосомы содержат оди наковую наследственную информацию (гены) и называются гомологичны ми. Хромосомный набор соматической клетки, в котором каждая хромосома имеет себе пару, называется диплоидным и обозначается как 2n. В половые клетки из каждой пары гомологичных хромосом попадает только одна, поэ тому хромосомный набор гамет называется одинарным (гаплоидным 1n).

Во всех соматических клетках любого живого организма число хромо сом одинаково и составляет диплоидный набор хромосом. У всех организмов одного вида число хромосом в клеточном ядре одинаково. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) количество хромосом в 2 раза меньше, чем в соматических клетках данного организма.

в) Ядрышко, строение и функции. Содержание РНК в клетках в 5-10 раз превышает содержание ДНК. Основная роль РНК состоит в трансляции ге нетической информации с образованием белков. Во всех клетках присутству ют все три вида РНК: рРНК, тРНК, м(и)РНК. Большинство клеток содержит множество малых ядерных РНК (мяРНК) и малых цитоплазматических (мц) РНК. 80% массы клеточных РНК составляют 3 или 4 вида рРНК, около 15% – почти 100 видов тРНК. На долю тысяч различных мРНК приходится 5% КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ клеточной РНК и менее 2% – на мяРНК и мцРНК, число видов которых пока неизвестно.

РНК – одноцепочечный полинуклеотид, длиной от 70 мономерных еди ниц, но у некоторых тРНК – до 10 000, и более – у некоторых мРНК. Мономе рами РНК являются нуклеотиды, каждый их которых состоит из азотистого основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК представляют пурины (аденин-А и гуанин-G) и пиримидины (цитозин-С и урацил-У). Нуклеотиды в молекуле РНК соединены в цепь 5-3-фосфодиэ фирными связями.

У некоторых вирусов геномы (в том числе геномы ретровирусов) представ лены двухцепочечными РНК, напоминающими А-форму ДНК. В одиночных цепях все время образуются короткие внутримолекулярные двухцепочечные участки. Это связано с тем, что в большинстве РНК имеются небольшие ком плементарные последовательности, которые спариваются и образуют петли.

В двухцепочечных участках А спаривается с У, а G с С. Двухцепочечные области непротяженны и прерывисты, поскольку спаривающиеся участки редко бывают абсолютно комплементарными.

Основным местом образования рРНК является ядрышко. Ядрышко (ну клеола) – это самая плотная область ядра, определяемая в виде тельца вели чиной 1-5 мкм вокруг локуса хроматиды, несущего в виде множества копий генов информацию о структуре рРНК. Этот участок хроматиды называют ядрышковым организатором, он связан с активным синтезом молекул рРНК в период интерфазы. Первоначально в нем синтезируется высокомолеку лярный предшественник РНК, который затем превращается в более корот кие молекулы РНК, входящие в состав субъединиц рибосомы. Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом ядрышковых организа торов, которые расположены в зоне вторичных перетяжек. Количество ядры шек в клетках данного типа может измениться за счет слияния ядрышек или за счет изменения числа хромосом с ядрышковыми организаторами. Схема участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков представлена сле дующим образом: на ДНК ядрышкового организатора образуется предше ственник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком, здесь происходит сборка субъединиц рибосом, которые, выходя в цитоплазму, организуются в рибосомы и участвуют в процессе синтеза белка. Ядрышко не однородно по своему строению: в световом микроскопе выявляют его тонковолокнистую организацию. В электронном микроскопе выявляются два компонента: гра нулярный и фибриллярный. Диаметр гранул – 15-20 нм, толщина фибрилл – 6-8 нм.

Фибриллярный компонент расположен в центральной части ядрышка, а гранулярный – по периферии. Часто гранулярный компонент образует нитча Федорова М.З., Чернявских С.Д.

тые структуры – нуклеолонемы толщиной 0,2 мкм. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественни ков рибосом, а гранулы – созревающие субъединицы рибосом. В зоне фи брилл выявляются участки ДНК ядрышковых организаторов. Они представ лены фибриллярными центрами, по периферии которых происходит синтез р-РНК. Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза р-РНК в ядрышке выявляется большое число гра нул, при прекращении синтеза количество гранул снижается, ядрышки пре вращаются в плотные фибриллярные тельца базофильной природы.

2.1.3. Аппарат экспрессии генов. Биосинтез белка Экспрессия генов – это процесс реализации информации, закодирован ной в структуре ДНК, на уровне РНК и белков. Экспрессия всех генов на чинается с транскрипции их нуклеотидной последовательности. При этом определенный участок одной из двух цепей ДНК используется как матрица для синтеза РНК путем комплементарного спаривания оснований. В клетках млекопитающих только около 1% молекул ДНК подвергаются транскрипции.

Транскрипция начинается с того, что молекулы полимеразы связываются с промоторными участками ДНК. Промоторные участки начинаются одним из трех не кодирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА). Они представляют собой стартовую площадку для присоединения фермента транскрипции и состоят из 30-40 пар нуклеотидов. Сам промоторный участок не транскрибируется.

Транскрипция состоит из трех этапов: инициация, элонгация, терминация.

В ходе инициации две цепи молекулы ДНК расходятся, образуя открытый комплекс, в котором одна цепь является матричной (цепь 5`-3`). В ходе элон гации РНК-полимераза продвигается вдоль цепи ДНК, раскручивая новые ее участки, на которых возможно комплементарное спаривание с нуклео тидными последовательностями молекулы ДНК. Процесс удлинения цепи РНК продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не встретит на своем пути одну из терминирующих последовательностей, что и будет сигналом к началу терминации. Последовательности ДНК, являющиеся сигналами остановки транскрипции, называются транскрипционными терминаторами.

Сущность процесс терминации в том, что РНК-полимераза отсоединяется от комплекса и переходит в нуклеоплазму. Обнаружены два типа ее сигналов – р-зависимый и р-независимый терминаторы. И тот и другой содержат инвер тированные повторы, благодаря чему 3’-концы РНК-транскриптов складыва ются с образованием шпилек разной длины. Стебли шпилек р-независимых терминаторов обычно содержат GC-богатые участки, в стебле р-зависимых терминаторов содержится лишь несколько GC-пар, а иногда и не содержится, КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ а уридиновые хвосты могут отсутствовать. Полагают, что РНК-полимераза останавливается после транскрипции инвертированного повтора, потому что шпилечная структура оказывается помехой.

Синтезированная молекула РНК отходит от матричной цепи ДНК. РНК подвергаются посттранскрипционным модификациям – процессингу и сплайсингу. Транскрипты, синтезированные в ядре РНК-полимеразой, назы вают гетерогенной ядерной РНК. Помимо последовательностей, кодирую щих рРНК, трансрипты содержат вставки разной длины (спейсеры) и одну или более копий тРНК-генов. Спейсеры могут находится перед последова тельностями рРНК, между ними и после них, а тРНК-гены обычно лежат в пределах вкрапленых или 3’-концевых спейсерных сегментов. Для образо вания функционально зрелых молекул РНК должен произойти процессинг таких транскриптов.

В 1987 г. было сделано открытие интронно-экзонной структуры генетиче ской информации эукариот. Интронные участки – это участки ДНК, которые в данный момент онтогенеза не транскрибируются, а экзонные – это участ ки, наделенные генетической активностью. Первичный транскрипт (яРНК) будет содержать как интронные, так и экзонные копии. Расщепление первич ных транскриптов яРНК на фрагменты, содержащие либо тРНК, либо рРНК, осуществляет эндонуклеаза РНКазаIII. В результате процессинга интронные участки ферментативно вырезаются, а в результате сплайсинга экзонные участки сливаются, яРНК превращается в мРНК.

Генетический код устанавливает соответствие между нуклеотидной по следовательностью данной мРНК и аминокислотной последовательностью синтезируемой на ней полипептидной цепи. Генетический код триплетен.

Триплеты кодирования, однозначно задающие ту или иную аминокислоту, называются «кодоны». Генетический словарь содержит 64 кодона. 61 кодон детерминирует 20 аминокислот. Отличительной особенностью генетическо го кода является то, что каждый кодон кодирует только одну аминокислоту, т.

е. код однозначен. Но при этом генетический код является вырожденным. Это означает, что одной аминокислоте могут соответствовать несколько кодонов.

Вырожденность генетического кода приводит к тому, что нельзя однозначно перевести аминокислотную последовательность данного белка в нуклеотид ную последовательность соответствующей мРНК.

Трансляция. Основными участниками процесса трансляции являются мРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы, тРНК, рибосомы, белки, связанные с рибосомами.

Во всех клетках имеются рибосомы, играющие ключевую роль в синтезе белка, их число колеблется от 20000 до 50000. Рибосомы эукариот состоят из малых (40S) и больших (60S) субъединиц. Малые субчастицы содержат Федорова М.З., Чернявских С.Д.

одну молекулу РНК (18S) размером 1900 нуклеотидов и 30-35 белков, боль шие – три цепи РНК длиной 120 (5S), 160 (5, 8S), 4800 (28S) нуклеотидов и 45-50 белков. В функциональном отношении в рибосоме выделяют А и Р участки – это участки, в которых происходит связывание двух тРНК-одной, присоединенной к растущей белковой цепи (Р-участок), и другой, несущей следующую добавляемую к цепи аминокислоту (А-участок) (Слайд 11). Рас положение молекул иРНК таково, что в рибосоме может находиться 2 кодона.

С кодоном А-участка комплементарно при помощи собственного антикодона связывает тРНК, связанная с одной аминокислотой. В Р-участке находится вторая молекула тРНК, которая своим антикодоном комплементарно соеди няется с кодоном мРНК.

Для того, чтобы началась трансляция к мРНК (ее старт-сигналу), присо единяется малая субъединица рибосомы. Эту же последовательность старт сигнала на мРНК узнает инициаторная молекула тРНК, после чего присоеди няется большая субъединица рибосомы.

Элонгация: участки тРНК, нагруженные своей аминокислотой, пооче редно связываются с кодонами мРНК путем комплементарного соединения.

Причем каждая очередная аминокислота присоединяется к карбоксильному концу растущей полипептидной цепи. Процесс происходит в направлении движения мРНК 5`-3`. Движение происходит до тех пор, пока не встретится некодирующий участок.

Если антикодон т-РНК А-участка совпадает с кодоном иРНК этого же участка, то изменения происходят в Р-участке;

рвется связь между пептидной молекулой и молекулой тРНК Р-участка. В освободившемся пептиде образу ется активный карбоксильный конец, который присоединяется к активизи рованной аминокислоте, находящейся на тРНК А-участка. После чего тРНК Р-участка выходит из рибосомы, но за счет сохраняющейся ее комплементар ной связи с мРНК она протягивает последнюю за собой ровно на один кодон.

В результате тРНК из А-участка перейдет в Р-участок. Так происходит до тех пор, пока в А-участок не подойдет один из трех некодирующих кодонов, к которому присоединяется не молекула, а белковый фактор освобождения.

После чего от рибосомы отсоединяется большая субъединица, синтезиро ванный белок, белковый фактор и малая субъединица.

Судьба синтезированных белков. Полипептидная цепь должна быть уло жена так, чтобы образовалась вторичная и третичная структуры, а в боль шинстве случаев отдельные полипептиды должны объединиться в функ циональные олигомерные комплексы. Рибосомы в эукариотических клетках существуют в свободном и связанном с мембранами состояниях. Белки, предназначенные для некоторых органелл и цитозоля, синтезируются на сво бодных рибосомах, а белки, остающиеся в лизосомах, структурах Гольджи и КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ плазматической мембране, образуются на рибосомах шероховатой ЭПС. Бел ки, синтезированные на рибосомах, связанных с ЭПС, проходят через мем браны ЭПС в просвет, этот путь прокладывает N-концевой участок. Затем этот участок, состоящий преимущественно из гидрофобных аминокислот – сигнальная последовательность – отщепляется эндопептидазами, локализо ванными в просвете ЭПС. Такой направленный перенос белков от рибосом в просвет ЭПС начинается уже во время синтеза полипептидной цепи и поэто му называется котрансляционным транспортом.

Транспорт мембранных и секреторных белков в просвет ЭР опосреду ется взаимодействием полипептидной сигнальной последовательности с сигнал-распознающей частицей (СРЧ) и рецептором этой частицы (СРЧ-Р) (Слайды 12,13). Рибосома, в одном раунде синтезирующая белок цитозоля, в следующем может синтезировать мембранный белок. Попадание белка в ЭР происходит только в результате взаимодействия СРЧ с сигнальной после довательностью синтезируемой белковой цепи. Комплекс «СРЧ –сигнальная последовательность» взаимодействует впоследствии с рецептором СРЧ, ло кализованным в мембране ЭР. Таким образом, СРЧ служит адаптером между аппаратом синтеза белка в цитоплазме и аппаратом его доставки и отвечает за попадание белков в просвет ЭР. СРЧ связывается с сигнальной последова тельностью сразу после выхода ее из рибосомы, т.е. после синтеза сегмента длиной примерно 70 аминокислот. Элонгация полипептидной цепи замедля ется до тех пор, пока комплекс СРЧ – сигнальная последовательность не свя жется с СРЧ-Р в мембране ЭР. Сразу после этого СРЧ отделяется, скорость синтеза полипептидной цепи увеличивается, и растущая полипептидная цепь протягивается сквозь мембрану в просвет. Итак, ассоциация транслирующей рибосомы с СРЧ-Р приводит к однонаправленному переносу растущей поли пептидной цепи в просвет ЭР. Особая пептидаза, локализованная в просвете ЭР, осуществляет специфическое отщепление сигнальной последовательно сти от новосинтезированного белка.

СРЧ представляет собой комплекс из шести белков с мол. массами от 10000 до 75000 Да и единственной молекулы РНК длиной 300 нуклеотидов – 7SL-РНК. Ни РНК, ни белки сами по себе не могут функционировать как СРЧ. Однако при смешивании РНК и белков in vitro образуется функцио нальная СРЧ. Cтруктура 7SL-РНК эволюционно консервативна. Состоит ли роль 7SL PHK в прямом узнавании сигнальной последовательности или она служит каркасом для сборки разных белковых субъединиц в функциональ ной СРЧ, а возможно, и то и другое, – пока неизвестно.

Сигнальная последовательность обычно находится на N-конце белков, предназначенных для экспорта к одной из клеточных мембран или внутри клеточным органеллам. В некоторых случаях, однако, аминокислотная по Федорова М.З., Чернявских С.Д.

следовательность, узнаваемая СРЧ, не является ни N-концевой, ни отще пляемой от транспортируемого белка, а отдельные секретируемые белки не содержат вообще никакой сигнальной последовательности.

Длина сигнальной последовательности колеблется от 15 до 35 аминокис лот, и в первых трех ее четвертях преобладают гидрофобные остатки, однако никакой консервативной аминокислотной последовательности этот участок не имеет. Для узнавания сигнальной последовательности СРЧ скорее важ на ее вторичная структура. Интересно, что сигнальные последовательности белков эукариот узнаются аппаратом транслокации бактерий, а сигнальные последовательности секретируемых бактериями белков могут проникать че рез мембранные компоненты эукариотических клеток. В пределах сигналь ной последовательности находится также и сайт, распознаваемый сигналь ной пептидазой. Обычно расщепление происходит со стороны С-остатков глицина, серина или аланина.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.