Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Справочный материал по Физиологии / Справочный материал / Справочный материал. Глава 03 – Физиология клетки.doc
Скачиваний:
339
Добавлен:
28.12.2013
Размер:
515.07 Кб
Скачать

Справочный материал по Физиологии.

Глава 3 – Физиология клетки.

Функции организма выполняют органы и системы органов, состоящие из тканевых элементов. Главный тканевый элемент — клетка. Другими словами, выполнение функций организма определяются функциями клеток. Любую функцию клетки реализуют при помощи конкретных белков, информация о химической структуре которых записана в эндогенной клеточной программе — генах (сумма генов — клеточный геном). Следовательно, все функции детерминированы в геноме. В то же время разные типы клеток выполняют разные функции; отсюда ясно, что в разных клетках «работают» (экспрессируются) разные гены. Таким образом, для понимания физиологии клеток важно знать не только то, какпроисходитэкспрессиягенов, но и то, как осуществляетсядифференциальнаяэкспрессиягенов. Иными словами, как регулируется работа генома (в том числе и за счёт каких регуляторных факторов).

В этой главе изложены функции отдельных органоидов клетки, а также функции клеток, осуществляемые при помощи сочетанной работы разных органелл, а именно — реализация генетической информации (от гена до белка) и её регуляция, внутриклеточная подвижность (молекулярные моторы, или хемомеханические преобразователи), деградация внутриклеточного и поглощённого клеткой материала (внутриклеточное пищеварение), клеточный цикл и его регуляция.

Рис.3‑1.Органеллыивключения

Органеллы

Клетка состоит из трёх основных компартментов: плазматической мембраны (её функции рассмотрены в главе 2), ядра (включая ядерный геном) и цитоплазмы (цитозоль с находящимися в нём структурированными субклеточными единицами — органеллами). Цитозоль содержит органеллы, цитоскелет и включения. Органелла (органоид) — специализированный для выполнения конкретной функции и метаболически активный элемент цитоплазмы (рис. 3–1). К органеллам относят свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), гладкую эндоплазматическую сеть (гладкий эндоплазматический ретикулум), митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, окаймлённые пузырьки, лизосомы и пероксисомы.

Ядро

23 пары хромосом (диплоидный набор: 222 + XY у мужчин и 222 + 2X у женщин) ядра соматической клетки содержат ядерный геном. Реализация генетической информации (транскрипция и процессинг, рис. 3–2) и другие функции ядра происходят при участии ДНК и разных видов РНК.

Рис.32.Этапыреализациигенетическойинформации. В ходе транскрипции на ДНК–матрице синтезируется комплементарная ДНК — длинная молекула РНК (первичный транскрипт), содержащая последовательности экзонов и интронов. По завершении синтеза РНК–транскрипта последовательности интронов удаляются (процессинг), что делает молекулу РНК значительно короче. Эта мРНК выходит из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомами. мРНК продвигается сквозь рибосому, и её нуклеотидная последовательность транслируется в соответствующую последовательность аминокислот создаваемой полипептидной цепи (подробнее см. на рис. 3–14).

 Хроматин. Термином «хроматин» обозначают комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки, см. рис. 3–3).

Рис.33.Организацияхроматина[11]. Хроматин состоит из структурных единиц — нуклеосом, разделённых интервалами в 200 пар оснований. Во время митоза хроматин полностью конденсируется, формируя видимые хромосомы. Каждая хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК и ДНК–связывающие белки; хроматин в составе хромосомы образует многочисленные петли. Хромосома состоит из структурных единиц — нуклеосом — сферических структур диаметром 10 нм. Нуклеосома в неконденсированном хроматине содержит по две копии гистонов H2A, H2B, H3 и H4 (октамер). Двойная спираль ДНК лежит на поверхности октамера гистонов и накручена на него. В конденсированном хроматине дополнительно присутствует гистон H1, соединяющий нуклеосомы.

 ДНК. Молекула ДНК (рис. 3–4) построена из двух полинуклеотидных цепей, образованных из нуклеотидов.

Рис.3–4.ДНКсостоит из двух полинуклеотидных цепей, образованных нуклеотидами, соединёнными фосфодиэфирными связями (1). Ковалентные фосфодиэфирные связи соединяют 5'-атом углерода одного нуклеотида с 3'-атомом углерода следующего нуклеотида. Антипараллельные цепи комплементарно спарены (2): аденин (A) с тимином (T), гуанин (G) c цитозином (C). Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК (3): дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК-полимеразы. [11].

 Нуклеотиды— фосфатные эфиры нуклеозидов.

 НуклеозидыN‑гликозильные производные (N‑гликозиды) разных азотистых оснований (пурины, пиримидины), содержащих рибозу или дезоксирибозу.

 Полинуклеотид. Нуклеотиды при помощи фосфодиэфирных связей образуютполинуклеотид, при этом ковалентные фосфодиэфирные связи соединяют 5'‑атом углерода одного нуклеотида с 3'‑атомом углерода следующего нуклеотида цепи. На один виток цепи приходится приблизительно 10 пар оснований. ДНК — две антипараллельные комплементарные цепи полинуклеотидов, соединённые водородными связями в парах A–T и G–C. Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК: дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК-полимеразы.

 Ген— участок молекулы ДНК, кодирующий последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Экспрессия гена (рис. 3–2, подробнее см. на рис. 3–13) протекает по схеме:транскрипция(синтез первичного транскрипта на матрице ДНК)процессинг(образование мРНК)трансляция(считывание информации с мРНК)сборкаполипептиднойцепи(включение аминокислот в полипептидную цепь на рибосомах)посттрансляционнаямодификация(добавление к полипептиду разных химических группировок, например, фосфатных [фосфорилирование], карбоксильных [карбоксилирование] и т.д.). Экспрессия генов рассмотрена ниже.

 Псевдогены— изменённые последовательности, не транскрибируемые или транскрибируемые, но продуцирующие функционально неактивные генные продукты.

 РНК— полинуклеотид, сходный по химическому составу с ДНК, но содержащий в нуклеотидах рибозу вместо дезоксирибозы и азотистое основание урацил (U) вместо тимина (T). Различают РНК матричную (мРНК), транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). Синтез полимеров рРНК, мРНК и тРНК на матрице ДНК катализируют соответственно РНК-полимераза I, II и III.

 МатричнаяРНК(мРНК, информационная РНК) содержит сотни и тысячи нуклеотидов и переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму и непосредственно участвует в сборке полипептида на рибосомах (трансляция). При транскрипции РНК-полимераза II присоединяется к промотору — специфическому сайту молекулы ДНК, с которого начинается синтез полимера. РНК-полимераза II раскручивает участок двойной спирали ДНК, обнажая матрицу для комплементарного спаривания оснований. Когда РНК-полимераза встречает сигнал терминации (завершения) транскрипции, синтез полимера прекращается. Фактически на этом этапе с ДНК снята комплементарная ей РНК-копия, но эта копия ещё не готова для участия в синтезе белка. Пока это только первичный транскрипт. В дальнейшем он процессируется, в результате образуется зрелая мРНК, выходящая из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Сборку полипептидной цепи при трансляции инициирует стартовый кодон AUG, а терминирующие кодоны UAA, UAG и UGA её прекращают.

 Транспортная РНК(тРНК) содержит около 80 нуклеотидов и доставляет аминокислоты к рибосоме, где они присоединяются к растущей полипептидной цепи. Существует минимально одна тРНК для каждой из 20 аминокислот. Один конец тРНК (акцептор) присоединяется к аминокислоте, а другой конец содержит антикодон из трёх нуклеотидов, которыйузнаётсоответствующий кодон мРНК и спаривается с ним. Так тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот.

 Рибосомная РНК(рРНК) взаимодействует с мРНК и тРНК в ходе сборки полипептида, в комплексе с белками (в т.ч. ферментами) образует рибосому.

 Геном. Различают ядерный и митохондриальный геномы. Ядерный геном — полный комплект генов (примерно 60 тыс. на ядро диплоидной клетки, в гаплоидном наборе — около 24 тыс. генов) в хромосомах. Кариотип описывает количество и структуру хромосом. Гаплоидный набор — 23 хромосомы (3,510пар нуклеотидов) — характерен для гамет (зрелых половых клеток), а диплоидный набор — стандарт хромосом (232) — для соматических клеток. Ядерный геном содержит гены, кодирующие полипептиды (примерно 2% генома), РНК (около 20% генома) и повторяющиеся последовательности (более 50% генома) неясного назначения.

 Ядрышко— компактная структура в ядре интерфазных клеток. Основные функции ядрышка — синтез рРНК (транскрипция и процессинг рРНК) и образование СЕ рибосом. Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22.

 Нуклеоплазмасодержит рибонуклеопротеины, ядерные рецепторы, ферменты (в том числе АТФазы, ГТФазы, ДНК- и РНК-полимеразы) и множество других молекул (онкогенов,факторов транскрипции,белков теплового шока, вирусных ДНК, влияющих на транскрипцию и процессинг РНК).

Рибосомы

Рибосома состоит из большой и малой СЕ, содержащих различные типы рРНК и белки (см. рис. 3–13). Функция рибосом — трансляция (считывание кода мРНК и сборка полипептидов).

 Цитоплазматическиерибосомы— небольшие электроноплотные частицы размером 1225 нм (80S), состоят из синтезируемой в ядрышке рРНК и белков. Цитоплазматические рибосомы подразделяют на свободные и связанные с мембранами эндоплазматической сети (поэтому такая эндоплазматическая сеть и называется гранулярной) и наружной ядерной мембраной. Ассоциаты рибосом формируют полирибосомы.

 Полирибосома(полисома) — комплекс нескольких рибосом, расположенных на одной молекуле мРНК. Полирибосомы, как и отдельные рибосомы, находятся в цитоплазме в свободном состоянии или прикреплены к мембранам эндоплазматической сети. Свободные полирибосомы синтезируют белки и ферменты для самой клетки (конститутивный синтез), а полирибосомы гранулярной эндоплазматической сети — предназначенные для хранения или выведения из клетки (синтез на экспорт).

 Митохондриальныерибосомы(60S) состоят из 45S и 35S СЕ, содержащих соответственно 16S и 12S рРНК, кодируемые митохондриальной ДНК. Эта ДНК содержит последовательности для митохондриальных мРНК и тРНК. Тем не менее, большинство ферментов, участвующих в трансляции митохондриальной мРНК, кодируется ядерной ДНК.