- •Справочный материал по Физиологии.
- •Глава 3 – Физиология клетки.
- •Органеллы
- •Митохондрии
- •Комплекс Гольджи
- •Лизосомы
- •Цитоскелет
- •Микротрубочки
- •Промежуточные нити
- •Депо кальция
- •Клеточный цикл
- •Экспрессия генов
- •Транскрипция
- •Посттрансляционные изменения
- •Ингибиторы матричного биосинтеза
- •Регуляция экспрессии генов
- •Генетическая изменчивость
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: 222 + XY у мужчин и 222 + 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.3–2.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.3–3.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.
Нуклеозиды—N‑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 (3,5109 пар нуклеотидов) — характерен для гамет (зрелых половых клеток), а диплоидный набор — стандарт хромосом (232) — 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 1225 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.