20. Опишите лизосомы, как участников клеточного метаболизма. Какова их биологическая роль в клетке?

Лизосомы (от lysis – расщепление и soma – тело) обнаруживаются у большинства эукариотических клеток, но особенно много их в тех животных клетках, которые обладают способностью к фагоцитозу. Они представляют собой простые мембранные мешочки (стенка мешочка состоит из одинарной мембраны), наполненные гидролитическими (пищеварительными) ферментами-протеазами, нуклеазами, липазами и кислыми фосфатазами. Содержимое лизосом имеет кислую реакцию, и для лизосомных ферментов характерен низкий оптимум рН. Эти ферменты должны быть изолированы от всех остальных клеточных компонентов и структур, иначе они их разрушат. В животных клетках лизосомы обычно имеют округлую форму и диаметр от 0,2 до 0,5 мкм. На электронных микрофотографиях лизосомы представляются гомогенными.

В растительных клетках роль лизосом могут играть крупные центральные вакуоли. Впрочем, иногда в цитоплазме, особенно в погибающих клетках, бывают видны тельца, напоминающие по своему виду лизосомы животных клеток. Большая часть работ, посвященных лизосомам, выполнена на животных клетках.

Заключенные в лизосомах ферменты синтезируются на шероховатом ЭПР и транспортируются к аппарату Гольджи. Позже от него отпочковываются пузырьки Гольджи, содержащие ферменты, подвергшиеся необходимым превращениям. Такие пузырьки называются первичными лизосомами. Они выполняют ряд функций, связанных главным образом с внутриклеточным перевариванием, но иногда и с секрецией пищеварительных ферментов.

Переваривание материалов, поглощенных путем эндоцитоза. С пузырьками или вакуолями, образовавшимися в процессе эндоцитоза, могут сливаться первичные лизосомы. При этом образуются вторичные лизосомы, в которых происходит переваривание материалов, поступивших в клетку путем эндоцитоза. У некоторых простейших, например у амеб, эндоцитоз – это способ поглощения пищи. В других случаях он выполняет защитную функцию, когда, например, специализированные лейкоциты (фагоциты) и макрофаги захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии. Вторичную лизосому можно назвать также пищеварительной вакуолью. Продукты переваривания поглощаются и усваиваются цитоплазмой клетки, но часть материала так и остается непереваренной. Вторичная лизосома, содержащая этот непереваренный материал, называется остаточным тельцем. Остаточные тельца направляются обычно к плазматической мембране, н здесь их содержимое выводится наружу (экзоцитоз). В некоторых клетках, в частности в клетках сердечной мышцы и в клетках печени, остаточные тельца сохраняются.

Своеобразную роль играют лизосомы в клетках щитовидной железы, которые под действием тиреотропного гормона (ТТГ) поглощают путем пиноцитоза тиреоглобулин. Образовавшиеся пиноцитозные пузырьки сливаются с первичными лизосомами, и тиреоглобулин подвергается частичному гидролизу для того, чтобы превратиться в активный гормон тироксин. Только после этого лизосомы путем слияния с плазматической мембраной изливают свое содержимое наружу – выделяют этот гормон в кровь.

Автофагия – процесс, посредством которого клетка уничтожает ненужные ей структуры. Сначала эти структуры окружаются одинарной мембраной, отделяющейся обычно от гладкого ЭПР, а затем такой мембранный мешочек с заключенной в нем структурой сливается с первичной лизосомой, в результате чего образуется вторичная лизосома, или автофагическая вакуоль, в которой структура переваривается. Данная последовательность событий входит как составная часть в естественный круговорот цитоплазматических органелл, при котором старые органеллы заменяются новыми. Автофагия наблюдается чаще в клетках, претерпевающих реорганизацию во время дифференцировки.

Выделение ферментов из клетки (экзоцитоз). Иногда ферменты, содержащиеся в первичных лизосомах, выделяются из клетки наружу. Это происходит, например, при замене хряща костной тканью в процессе развития. Аналогичное явление можно наблюдать, когда основное вещество кости разрушается при перестройке костной ткани в ответ на повреждения, при новых нагрузках и т.п. В этом случае ферменты секретируются лизосомами клеток, которые называются остеокластами.

Автолиз – это саморазрушение клетки, наступающее в результате высвобождения содержимого ее лизосом. Именно в связи с этим лизосомы были в свое время метко названы «орудиями самоубийства» (suicide bags). При некоторых процессах дифференцировки автолиз представляет собой нормальное явление; он может распространяться и на всю ткань, как это, например, имеет место при резорбции хвоста головастика во время метаморфоза. Автолиз наступает также после гибели клетки. Иногда он является следствием некоторых лизосомных болезней или результатом повреждения клетки.

34. Каковы основные молекулярные механизмы самосохранения биосистем? Что такое генный код? В чём заключается его универсальность? Укажите основные стадии биосинтеза белков.

Продолжительность жизни организмов ограни­чена, однако все они обладают способностью непрерывно «поддерживать жизнь», обеспечи­вая выживание вида. Вид выживает в результате того, что родители передают потомству свои ос­новные признаки, независимо от того, возникло ли потомство в результате полового или беспо­лого размножения. В поисках причин, обуслов­ливающих такую передачу признаков (наследо­вание), были открыты нуклеино­вые кислоты — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) В молекулах этих кислот содержится закодиро­ванная информация, передающаяся от одного поколения организмов другому.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные биологические полимеры (полинуклеотиды), структурной ед является мононуклеотид (сост из : пятиуглеродного сахара; азотистого основания пуринового - А,Г и пиримидинового - Ц,Т/У; фосфорной кислоты).

Ген – участок ДНК, кодирующий определённый пептид (белок).

Генетический код – это соответствие м/д последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот в синтезируемом белке.

Свойства и характеристики ген.кода:

-триплетность: каждая аминок-та кодируется тройкой нуклеотидов.

-код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов

-код вырожденный: данная аминок-та может кодироваться более чем одним триплетом.

-код неперекрывающийся: один и тот же нуклеотид не может входить в состав двух соседних триплетов

Биосинтез белка.

1. Транскрипция – переписывание последовательности оснований в одном из участков цепи ДНК в комплементарную последовательность оснований мРНК. Протекает внутри ядра (у прокариот), имеет 3 стадии:

   1. для инициации транскрипции ДНК необходимо наличие специального участка в ДНК (промотора). Фермент РНК-полимераза связывается с промотором и происходит локальное расщепление двойной спирали ДНК => образуется открытый промоторный участок (фермент действует как застёжка молнии). Одна из цепей является матрицей для образования комплементарной одиночной цепи мРНК.

   2. элонгация – удлинение цепи

   3. терминация – прекращение роста мРНК происходит на специфических участках ДНК (терминаторах)

Образованная незрелая мРНК (пре-иРНК) подвергается процессингу и сплайсингу

Процессинг: кэпирование 5’-конца пре-иРНК, т.е. к 5’-концу присоединяется 5’-кэп-структура (защищает мРНК от ферментативного расщепления, способствует трансляции иРНК) ; к 3’-концу пре-иРНК присоединяется 3’-poly А – хвост

Сплайсинг – удаление интронов (структурные гены, которые связывают экзоны – гены, несущие информацию о первичной структуре белка)

2. Трансляция – процесс, посредством которого последовательность оснований в молекуле РНК переводится в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Этот процесс происходит на рибосомах. Комплекс мРНК и нескольких рибосом назыв-ся полисомой. Трансляция протекает в направлении 5’ → 3’ концу и имеет3 стадии:

   1. Инициация. Считывание информации с мРНК. Первый кодон связывает молекулу аминоацил-тРНК, содержащую комплементарный ему антикодон и несущую первую аминокислоту (обычно это метионин) синтезируемого полипептида. Затем второй кодон присоединяет к себе молекулу аминоацил-тРНК, содержащую комплементарный ему антикодон. Функция рибосомы в том, чтобы удерживать в нужном положении мРНК, тРНК и ферменты до тех пор, пока м/д соседними аминокислотами не образуется пептидная связь.

   2. элонгация – удлинение полипептидной цепи

   3. терминация – окончание синтеза – происходит по команде стоп-кодона: УАА / УАГ / УГА. На этом этапе полипептидная цепь покидает рибосому, и трансляция завершается.

Биосинтез белка (вариант 2)

Осуществляется на рибосомах. Для передачи информации с ДНК к месту синтеза белка требуется и-РНК. Процесс синтеза на цепи ДНК молекулы и-РНК – транскрипция. Она происходит на небольшом участке, отвечающие определённому гену. При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, обнажая короткий участок одной из цепей, который будет служить матрицей для синтеза и-РНК. Затем вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь и-РНК. В результате образуется и-РНК, последовательность нуклеотидов которой является копией последовательности нуклеотидов матрицы. Синтезированная в ядре и-РНК отделяется от ДНК и через поря оболочки ядра поступает в цитоплазму, где прикрепляется к малой субъединице рибосомы. Нить и-РНК проходит между малой и большой субъединицей, а начальная часть вновь синтезированного белка находится в структуре большой субъединицы. Комплекс из и-РНК и нескольких рибосом – полисома. На ней осуществляется синтез белка (трансляция). Она начинается со стартового кодона АУГ. Отсюда рибосома движется вдоль молекулы и-РНК, что сопровождается ростом полипептидной цепи. Число АК в таком белке равно числу триплетов и-РНК. Выстраивание АК осуществляется на рмбосомах при помощи т-РНК. Благодаря определённому расположению комплиментарных нуклеотидов, цепь т-РНК имеет форму листа клевера. В противоположной части молекулы т-РНК располагается антикодон, ответственный за прикрепление к определённому триплету и-РНК. Комплексы аминоацил-т-РНК считывают информацию, закодированную в и-РНК. Этот комплекс с помощью антикодона присоединяется к кодону и-РНК на малой субъединице. Затем к той же рибосоме прикрепляется второй комплекс. В рибосоме оказываются 2 АК и между ними возникает пептидная связь. Первая т-РНК покидает рибосому. Затем к образованному дипептиду присоединяется третья АК, четвёртая АК и до тех пор, пока рибосома не дойдёт до одного из трёх “стоп-кодонов” – УАА, УАГ, УГА. После этого синтез белка прекращается. Синтез идёт непрерывно с большой скоростью.