Клеточный конвейер при синтезе белка. Мембранные белки, связанные с липидами

4. Мембранные белки, связанные с углеводами.

Периферические белки – белок-белковые взаимодействия.

Пример этих белков:

1. Спектрин

2. Фибронектин,

Белки –

интегральные белки выполняют следующие функции:

а) белки ионных каналов

б) рецепторные белки

Ионные каналы

аквопорины (эритроциты, почка, глаз).

Надмембранный компонент

Функция гликокаликса: 1. Играют рольрецепторов .

2. Межклеточное узнавание .

(адгезивные взаимодействия).

4. Рецепторы гистосовместимости.

5. Зона адсорбции ферментов (пристеночное пищеварение).

6. Рецепторы гормонов .

Подмембранный компонент

Структуры, формируемые плазмолеммой

Контуры клетки, даже на светооптическом уровне, не представляются ровными и гладкими, а электронная микроскопия позволила обнаружить и описать в клетке различные структуры, которые отражают характер ее функциональной специализации. Различают следующие структуры:

1. Микроворсинки – выпячивание цитоплазмы, покрытые плазмолеммой. Цитоскелет микроворсинки сформирован пучком актиновых микрофиламент, которые вплетаются в терминальную сеть апикальной части клеток (рис. 5). Единичные микроворсинки на светооптическом уровне не видны. При наличии значительного их числа (до 2000-3000) в апикальной части клетки уже при световой микроскопии различают “ щеточную каемку”.

2. Реснички – располагаются в апикальной зоне клетки и имеют две части (рис. 6) : а) наружную - аксонему

б) внутреннюю – безальное тельце

Аксонема состоит из комплекса микротрубочек (9 + 1 пары) и связанных с ними белков. Микротрубочки образованы белком тубулином, а ручки – белком динеином – эти белки в совокупности формируют тубулин-динеиновый хемомеханический преобразователь.

Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных у основания реснички и служит матрицей при организации аксонемы.

3. Базальный лабиринт – это глубокие инвагинации базальной плазмолеммы с лежащими между ними митохондриями. Это механизм активного всасывания воды, а так же ионов против градиента концентрации.

1. Транспорт низкомолекулярных соединений осуществляется тремя способами:

1. Простая диффузия

2. Облегченная диффузия

3. Активный транспорт

Простая диффузия – низкомолекулярные гидрофобные органические соединения (жирные кислоты, мочевина) и нейтральные молекулы (Н О, СО, О). С увеличением разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, растет и скорость диффузии.

Облегченная диффузия – вещество идет через мембрану также по направлению градиента концентрации, но с помощью транспортного белка – транслоказы. Это интегральные белки, обладающие специфичностью в отношении переносимых веществ. Это, например, анионные каналы (эритроцит), К - каналы (плазмолемма возбужденных клеток) и Са - каналы (саркоплазматический ретикулум). Транслоказа для Н О – это аквапорин.

Механизм действия транслоказы:

1. Наличие открытого гидрофильного канала для веществ определенного размера и заряда.

2. Канал открывается только при связывании специфического лиганда.

3. Канала нет как такового, а сама молекула транслоказы, связав лиганд, поворачивается в плоскости мембраны на 180 .

Активный транспорт – это транспорт с помощью такого же транспортного белка (транслоказы), но против градиента концентрации. Это перемещение требует затрат энергии.

Транспорт через мембраны высокомолекулярных соединений

Переход частиц через плазмолемму происходит всегда в составе мембранного пузырька: 1. Эндоцитоз : а. пиноцитоз, б. фагоцитоз, в. эндоцитоз, опосредованный рецепторами.

2. Экзоцитоз: а. секреция, б. экскреция, в. рекреция – это перенос твердых веществ через клетку, здесь сочетается фагоцитоз и экскреция.

Рецепторно-опосредованный эндоцитоз

1. Накопление лиганд-связывающих рецепторов в специфическом участке плазмалеммы – окаймленные ямки (один лиганд, один рецептор).

2. Поверхность ямки с цитозольной стороны покрыта аморфным плотным веществом –клатрином (этим путем попадают транспортные белки ЛНП, и белки, транспортирующие железо – трансферрин.

3. Образование окаймленного пузырька.

4. Слияние окаймленного пузырька с кислой эндосомой.

рис. Н эндосома

5. Судьба рецептора и лиганда определяется типом эндоцитоза.

а). Рецептор возвращается, лиганд разрушается.

рис. лизосома

б) Рецептор возвращается, лиганд возвращается.

рис. лизосома

в) Рецептор разрушается, лиганд разрушается.

рис. лизосома

г) Рецептор транспортируется, лиганд транспортируется.

рис. лизосома

Патология - Гиперхолестероломия

1. Повышение уровня ЛНП.

2. ЛНП не поглощаются клетками.

3. Уровень ЛНП в плазме.

4. Образуются атеросклеротические бляшки коронарных сосудов.

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА “ ОРГАНЕЛЛЫ ОБЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ “

Органеллы – это функциональные системы (аппараты) клетки. Выделяют следующие системы: 1 Синтетический аппарат

2. Энергетический аппарат

3. Аппарат внутриклеточного переваривания (эндосомальный – лизосомальный)

4. Цитоскелет

Гиалоплазма – это коллоидная система, которая составляет 55 % общего обьема клетки, в ней взвешены органеллы и включения, она содержит белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, ионы. Здесь происходит межуточный обмен.

Различают несколько видов эндоплазматической сети : 1. Шероховатая (гранулярная эндоплазматическая сеть) - ГЭС

2. Гладкая (агранулярная эндоплазматическая сеть) - АЭС

3. Промежуточная (система транспорта)

Гранулярная эндоплазматическая сеть – это система уплощенных цистерн, вакуолей и каналов, ограниченных мембранами, на поверхности которых располагаются рибосомы.

Рибосомы состоят из РНК и гистонов (1: 1), связаны с мембранами белком рибофорином. Значение: 1. Обьединяют в пространстве компоненты белка

2. Обеспечивают взаимное узнавание комплекса - рибосомальная РНК - тРНК

3. Предоставляют ферменты, катализирующие образование пептидных связей

Эндоплазматическая сеть – синтез белков, липидов и углеводов – посттрансляционные изменения.

Функции ГЭС : 1. Синтез мембранных белков

2. Синтез белков на экспорт

3. Начальные этапы гликозилирования

4. Посттрансляционные изменения

В процессе синтеза белка происходят изменения, обозначаемых следующими терминами:1. Инициация – это связывание м-РНК с рибосомами

2. Элонгация – удлинение пептидной цепи

3. Фолдинг – сворачивание пептидной цепи в правильную трехмерную структуру.

Светооптический аналог ГЭС – это феномен базофилии цитоплазмы, которая может проявляться в двух видах: а) диффузная окраска цитоплазмы,

б) наличие в клетке базофильно окрашенных глыбок и гранул.

При этом базофилия – это результат наличия на мембранах ГЭС рибосом, в состав которых входят остатки фосфорной кислоты (компонент триплета), который и инициирует отрицательный заряд, связывающий основный краситель (феномен базофилии).

Синтез белка : 1. Начинается синтезом на полисомах.

2. В результате взаимодействия и-РНК и рибосомы образуется сигнальный пептид (20-25 аминокислот).

3. Связывание сигнального пептида с рибонуклеопротеидным комплексом (СРЧ – сигнал-распознающая частица).

4. Это связывание прекращает синтез белка.

5. Связывание СРЧ со специфическим рецептором на мембране ЭПС (это так называемый причальный белок).

6. После связывания с рецептором мембраны СРЧ отделяется от полисом.

7. Происходит разблокирование синтеза белковой молекулы.

8. Интегральные белки-рецепторы – рибофорины- обеспечивают присоединение большой субьединицы рибосом.

9. В просвете ГЭПС сигнальный пептид отщепляется ферментом сигнальной пептидазой.

10. Внутри цистерны пептид подвергается посттрансляционной модификации:

гидроксилированию, фосфорилированию, сульфатированию и т.д.

Функции комплекса Гольджи

1. Синтез полисахаридов и гликопротеинов (гликокаликс, слизь).

2. Процессинг молекул:

а) терминальное гликозилирование

б) фосфорилирование

в) сульфатирование

г) протеолитическое расщепление (части белковых молекул)

3. Конденсация секреторного продукта.

4. Упаковка секреторного продукта

5. Сортировка белков в зоне сети транс- Гольджи (за счет специфических рецепторных мембранных белков, которые распознают сигнальные участки на макромолекулах и направляют их в соответствующие пузырьки). Транспорт из комплекса Гольджи идет в виде 3-х потоков:

1. Гидролазные пузырьки (или первичные лизосомы)

2. В плазмолемму (в составе окаймленных пузырьков)

3. В секреторные гранулы

Эндосомы - мембранные пузырьки с закисляющимся содержимым и обеспечивающие перенос молекул в клетку. Тип переноса веществ системой эндосом различный:

1. С перевариванием макромолекул (полным)

2. С частичным их расщеплением

3. Без изменения по ходу транспорта

Процесс транспорта и последующего расшепления веществ в клетке с помощью эндосом состоит из следующих последовательных компонентов:

1. Ранняя (периферическая) эндосома

2. Поздняя (перинуклеарная) эндосома прелизосомальный этап переваривания

3. Лизосома

Ранняя эндосома – лишенный клатрина пузырек на периферии клетки. рН среды 6,0, здесь происходит ограниченный и регулируемый процесс расщепления (лиганд отделяется от рецептора) --- возвращение рецепторов в мембрану клетки. Ранняя эндосома еще известна как Curl.

Поздняя (перинуклеарная) эндосома: а) более кислое содержимое рН 5,5

б) диаметр больший до 800 нм

в) более глубокий уровень переваривания

Это переваривание лиганд (периферическая эндосома + перинуклеарная эндосома) --- мультивезикулярное тельце.

Лизосомы

1. Фаголизосома – она формируется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой. Процесс разрушения этого материала называется гетерофагией.

2.Аутофаголизосома – она формируется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой.

3. Мультивезикулярное тельце – крупная вакуоль (800 нм) , состоящая из мелких 40-80 нм пузырьков, окруженных умеренно плотным матриксом. Оно образуется в результате слияния ранней и поздней эндосом.

4. Остаточные тельца - это непереваренный материал. Самым известным компонентом этого типа являются липофусциновые гранулы – пузырьки диам. 0,3 – 3 мкм, содержащие пигмент липофусцин.

Цитоскелет – это система микротрубочек, микрофиламентов (промежуточных, микротрабекул). Все они формируют трехмерную сеть, взаимодействуя с сетями из других компонентов.

1. Микротрубочки – полые цилиндры диам. 24-25 нм, стенка толщиной 5 нм, диам. просвета – 14-15 нм. Стенка состоит из спирально уложенных нитей (они называются протофиламенты) толщиной 5 нм. Эти нити образованы димерами и тубулина. Это лабильная система, у которой один конец (обозначаемый “__”) закреплен, а другой (“ + “) свободен и участвует в процессе деполимеризации.

Микротрубочки ассоциированы с рядом белков, имеющих общее название МАР – они связывают микротрубочки с другими элементами цитоскелета и органеллами. Кинезин –(шаг его перемещения по поверхности микротрубочки составляет 8 нм).

Органелла

рис. Микротрубочка

Микрофиламенты – это две переплетенные нити F-актина, составленные из g- актина. Диаметр их составляет 6 нм. Микрофиламенты полярны, присоединение g -актина происходит на (“+”) конце. Они образуют скопления

по периферии клетки и связаны с плазмолеммой посредством промежуточных белков (-актин, винкулин, талин).

Функция: 1. Изменение цитозоля (переход золя в гель и обратно).

2. Эндоцитоз и экзоцитоз.

3. Подвижность немышечных клеток.

4. Стабилизация локальных выпячиваний плазматической мембраны.

Промежуточные нити имеют d 8-11 нм, состоят из белков, характерных для определенных клеточных типов. Они формируют внутриклеточный каркас, обеспечивающий упругость клетки и упорядоченное расположение компонентов цитоплазмы. Промежуточные филаменты образованы нитевидными белковыми молекулами, сплетенными друг с другом наподобие каната.

Функции : 1. Структурная

2. Участие в образовании рогового вещества

3. Поддержание формы, отростков нервных клеток

4. Прикрепление миофибрилл к плазмолемме.

Микротрабекулы – ажурная сеть тонких нитей, существующая в комплексе с микротрубочками и может участвовать в транспорте органелл и влиять на вязкость цитозоля.

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА:” ЯДРО. СТРУКТУРА ИНТЕРФАЗНОГО ЯДРА. ОСНОВЫ БИОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ”

Ядро является основной частью клетки, кодирующей информацию о структуре и функции органа. Эта информация заложена в генетическом материале, ДНК, представляющей собой в комплексе с основными белками (гистонами) ДНП. За некоторым исключением (митохондрии) ДНК локализуется исключительно в ядре. ДНК способна реплицироваться сама, обеспечивая тем самым передачу генетического кода дочерним клеткам в условиях клеточного деления.

Ядро играет центральную роль в синтезе белка и полипептидов, являясь носителем генетической информации. Все ядра клеток организма содержат те же самые гены, одни клетки различны по своей структуре, функции и характеру продуцируемых клеткой веществ. Ядерный контроль осуществляется путем

репрессии или депрессии (экспрессии) активности различных генов. Трансляция о характере синтеза белка связана с образованием м-РНК. Многие РНК – это комплекс белка и РНК, т.е. РНП. Интерфазное ядро в большинстве клеток – это образование округлой или овальной формы в несколько мм в диаметре. В лейкоцитах и клетках соединительной ткани ядро дольчатое и обозначается термином полиморфное.

Интерфазное ядро имеет несколько различных структур: ядерную оболочку, хроматин, кариолимфу и ядрышко.

Ядерная оболочка

1. Наружная ядерная мембрана – на поверхности расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны. Со стороны цитоплазмы она окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов.

2. Перинуклеарные цистерны – часть околоядерных цистерн связана с гранулярной эндоплазматической сетью (20-50 нм).

3. Внутренняя ядерная мембрана – отделена от содержимого ядра ядерной пластинкой.

4. Ядерная пластинка толщиной 80-300 нм, участвует в организации ядерной оболочки и перинуклеарного хроматина, содержит белки промежуточных филаментов – ламины А, В и С.

5. Ядерная пора – от 3-4 тысяч специализированных коммуникаций, осуществляют транспорт между ядром и цитоплазмой. Ядерная пора d 80 нм, имеет: а) канал поры – 9 нм

б) комплекс ядерной поры, последний содержит белок-рецептор, реагирующий на сигналы ядерного импорта (входной билет в ядро).Диаметр ядерной поры может увеличивать диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (ДНК-РНК – полимераза).

Ядерная пора состоит из 2-х параллельных колец по одному с каждой поверхности кариолеммы. Кольцо диаметром 80 нм, образованы они 8 белковыми гранулами, от каждой гранулы к центру тянется нить (5 нм), которая формирует перегородку (диафрагму). В центре расположена центральная гранула. Совокупность этих структур называется комплекс ядерной поры. Здесь формируется канал диаметром 9 нм, такой канал называют водным, поскольку по нему движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы.

Функции ядерной поры: 1. Избирательный транспорт;

2. Активный перенос в ядро белков с последовательностью, характерной для белков ядерной локализации;

3. Перенос в цитоплазму субьединиц рибосом с изменением конформации порового комплекса.

Внутренняя ядерная мембрана - гладкая и связана с помощью интегральных белков с ядерной пластинкой, которая представляет собой слой, толщиной 80-300 нм. Эта пластинка или ламина – состоит из переплетенных промежуточных филаментов (10 нм), формирующих кариоскелет. Функции ее:

1. Сохранение структурной организации поровых комплексов;

2. Поддержание формы ядра;

3. Упорядоченная укладка хроматина.

Она формируется в результате спонтанной ассоциации 3-х главных полипептидов. Это структурный каркас ядерной оболочки с участками специфического связывания хроматина.

Хроматин

Насветовом микроскопе состоит из нерегулярно упакованной массы невысокой плотности, различается степенью плотности, количеством и размерами в клетках различного типа. Глыбки хроматина обозначают термином кариосомы, т.е. они обладают сродством к основным красителям. Хроматин интерфазного ядра – это ДНП хромосом. Хромосомы в интерфазном ядре очень тонкие, длинные, напоминающие собой нити в клубке.

Было время когда считали, что эта масса состоит из одной индивидуальной хромосомы, которую называли спирелла.

Плотный хроматин обозначается термином гетерохроматин в противовес не свернутому эухроматину. На светооптическом уровне видны элементы хромосом лишь при условии, что они образуют агрегаты, размером 0,2 мкм (гетерохроматин). Масса гетерохроматина является показателем клеточной активности клетки, содержащие большие блоки гетерохроматина характеризуются неактивной фазой в синтезе белка и, следовательно, в продукции м-РНК.

Ядрышко

Это плотная гранула диаметром 1-3 мкм, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. Главным компонентом ядрышка является специализированный участок хромосом (петли), или организатор ядрышка. Такие участки имеются в пяти хромосомах: 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й; именно здесь располагаются многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК.

При ЭМ в ядрышке описывают 3 компонента :

1. Фибриллярный компонент - множество тонких (5-8 нм) нитей, с преимущественной локализацией во внутренней части ядрышка. Это первичные транскрипты р-РНК.

2. Гранулярный компонент – это скопление плотных частиц диаметром 10-20 нм, они соответствуют наиболее зрелым предшественникам субьединиц рибосом.

3. Аморфный компонент – это зона расположения ядрышковых организаторов, очень бледно окрашенная зона. Здесь крупные петли ДНК, участвующие в транскрипции рибосомальной РНК, а так же белки, специфически связывающиеся с РНК. Гранулы и фибриллы формируют ядрышковую нить (нуклеолонему) , толщиной 60-80 нм. Поскольку ядрышко окружено хроматином, то он получает название перинуклеарный хроматин , а его часть, проникающая внутрь ядрышка – этоинтрануклеолярный хроматин.

Клеточный конвейер – это сборка секреторного продукта на живой конвейерной ленте при участии различных клеточных органелл. При этом процесс сборки слагается из ряда этапов, происходящих в определенной последовательности на участках клетки, достаточно далеко удаленных от места непосредственного действия нуклеиновых кислот, осуществляющих генетический контроль.

Клеточный конвейер при синтезе белка предусматривает обычную последовательность процессов, изложенную в разделе описания гранулярной эндоплазматической сети. Здесь уместно представить механизм синтеза небелковых веществ.

Мембранные белки, связанные с липидами.

4. Мембранные белки, связанные с углеводами.

Периферические белки – не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются за счет ионных взаимодействий. Периферические белки ассоциированы с интегральными белками в мембране за счет взаимодействия - белок-белковые взаимодействия.

Пример этих белков:

1. Спектрин , который расположен на внутренней поверхности клетки

2. Фибронектин, локализован на наружной поверхности мембраны

Белки – обычно составляют до 50% массы мембраны. При этом

интегральные белки выполняют следующие функции:

а) белки ионных каналов

б) рецепторные белки

2. Периферические мембранные белки (фибриллярные, глобулярные) выполняют функции:

а) наружные (рецепторные и адгезионные белки)

б) внутренние – белки цитоскелета (спектрин, анкирин), белки системы вторых посредников.

Ионные каналы – это сформированные интегральными белками каналы, они формируют небольшую пору, через которую по электрохимическому градиенту проходят ионы. Наиболее известные каналы – это каналы для Nа, К, Са 2 , Сl.

Существуют и водные каналы – это аквопорины (эритроциты, почка, глаз).

Надмембранный компонент – гликокаликс, толщина 50 нм. Это углеводные участки гликопротеинов и гликолипидов, обеспечивающие отрицательный заряд. Под ЭМ – это рыхлый слой умеренной плотности, покрывающий наружную поверхность плазмолеммы. В состав гликокаликса помимо углеводных компонентов входят периферические мембранные белки (полуинтегральные). Функциональные участки их находятся в надмембранной зоне- это иммуноглобулины (рис. 4) .

Функция гликокаликса: 1. Играют рольрецепторов .

2. Межклеточное узнавание .

3. Межклеточные взаимодействия (адгезивные взаимодействия).

4. Рецепторы гистосовместимости.

5. Зона адсорбции ферментов (пристеночное пищеварение).

6. Рецепторы гормонов .

Подмембранный компонент или самая наружная зона цитоплазмы, обычно обладает относительной жесткостью и эта зона особенно богата филаментами (d 5-10 нм). Предполагают, что интегральные белки, входящие в состав клеточной мембраны, прямо или косвенно связаны с актиновыми филаментами, лежащими в подмембранной зоне. При этом экспериментально доказано, что при агрегации интегральных белков, находящийся в этой зоне актин и миозин также агрегируют, что указывает на участие актиновых филамент в регуцляции формы клетки.

Обмен веществ — важнейшее свойство живых организмов. Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом . Метаболизм состоит из реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Ассимиляция — совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке, диссимиляция — совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии. Эти группы реакций взаимосвязаны: реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.

По типу обмена веществ организмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие для этого синтеза или солнечную энергию, или энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Гетеротрофы — организмы, использующие для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезированные другими организмами. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО 2), а гетеротрофы — экзогенные органические. Источники энергии: у автотрофов — энергия солнечного света (фотоавтотрофы ) или энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений (хемоавтотрофы ), у гетеротрофов — энергия окисления органических веществ (хемогетеротрофы ).

Большинство живых организмов относится или к фотоавтотрофам (растения), или к хемогетеротрофам (грибы, животные). Если организмы, в зависимости от условий, ведут себя как авто- либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами (эвглена зеленая).

Биосинтез белков

Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном . Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: рРНК, входящие в состав рибосом, и тРНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена) — и трансляция — синтез полипептидной цепи.

Генетический код и его свойства

Генетический код — система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.

Свойства генетического кода:

триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
из 64 кодовых триплетов 61 — кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 — бессмысленные (в РНК — УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами , поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК — АУГ), с которого трансляция начинается.

Таблица генетического кода

Первое основание	Второе основание				Третье основание
Первое основание	У(А)	Ц(Г)	А(Т)	Г(Ц)	Третье основание
У(А)	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир — —	Цис Цис — Три	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
Ц(Г)	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
А(Т)	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
Г(Ц)	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)

* Первый нуклеотид в триплете — один из четырех левого вертикального ряда, второй — один из верхнего горизонтального ряда, третий — из правого вертикального.

Реакции матричного синтеза

Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция.

Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом . Особенностями строения гена эукариот являются: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими). Экзоны (Э) — участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) — участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции. Промотор (П) — участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры . Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.

Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3"-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3"- к 5"-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).

В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5"-конца, 2) полиаденилирование 3"-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».

Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.

Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).

Трансляция

Трансляция — синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.

Органоиды, обеспечивающие трансляцию, — рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах — митохондриях и пластидах (70S-рибосомы), в свободном виде в цитоплазме (80S-рибосомы) и на мембранах эндоплазматической сети (80S-рибосомы). Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки. В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая — за биохимические, ферментативные.

В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три — в пептидильном и три — в аминоацильном участках.

Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК (лекция №4). Длина тРНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3"-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.

Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне тРНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных тРНК.

Синтез белка начинается с того момента, когда к 5"-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.

Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.

Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.

Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.

Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 5-6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек.

В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).

«Механизмы» сборки полинуклеотидных и полипептидных цепочек у прокариот и эукариот не различаются. Но в связи с тем, что гены прокариот не имеют экзонов и интронов (исключение — гены архебактерий), располагаются группами, и на эту группу генов приходится один промотор, появляются следующие особенности транскрипции и трансляции у прокариот.

В результате транскрипции образуется полицистронная иРНК, кодирующая несколько белков, совместно обеспечивающих определенную группу реакций.
иРНК имеет несколько центров инициации трансляции, терминации трансляции и НТО.
Не происходят КЭПирование, полиаденилирование и сплайсинг иРНК.
Трансляция начинается еще до завершения транскрипции; эти процессы не разделены во времени и пространстве, как это имеет место у эукариот.

1 — ДНК; 2 — РНК-полимераза; 3 — Нуклеозидтрифосфаты ГТФ, ЦТФ, АТФ, УТФ.

Можно добавить, что срок «жизни» прокариотических иРНК — несколько минут (у эукариот — часы и даже сутки).

Перейти к лекции №9 « Строение прокариотической клетки. Вирусы»

Перейти к лекции №11 « Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»

Не вызывает сомнений, что необходимая для биосинтеза белка специфическая информация каким-то образом заключена в строении дезоксирибонуклеиновых кислот хромосом.

Эта точка зрения полностью подтверждается многочисленными наблюдениями о связи менделирующих генов с определенными молекулами белка. Как мы уже видели, наиболее прямыми доказательствами ее справедливости служат те случаи, когда генетические данные можно сопоставить с физическими и химическими свойствами выделенных гомогенных белков, например гемоглобина, тирозиназы и β-лактоглобулина. Не менее убедительны результаты, полученные бактериологами и вирусологами, которые показали, что хорошо очищенные препараты ДНК могут вызвать изменение как генотипа, так и фенотипа клеток-реципиентов или образование относительно сложного белкового комплекса, характерного для фаговых частиц.

Ясно, однако, что синтез белка возможен и вне ядра. В ретикулоците, например, синтез гемоглобина протекает с большой скоростью и прекращается лишь после того, как клетка становится зрелым эритроцитом. То же самое наблюдается у морской водоросли Acetabularia mediterranea. Ее клетку можно разделить на две части: содержащую ядро и безъядерную. Безъядерный фрагмент в течение некоторого времени синтезирует белок даже с большей скоростью, чем неповрежденная клетка, но вскоре этот синтез прекращается. Поскольку биосинтез химически определенного белка, даже такого специфического, как гемоглобин, может продолжаться и в отсутствие ядра, центром нашего внимания становится механизм, посредством которого необходимая информация переносится в цитоплазму клетки и, по-видимому, временно сохраняется в ней.

Биосинтез белка принадлежит к числу тех биологических явлений, которые в большой степени зависят от структурной организации клетки. Даже если синтез продолжается в отсутствие ядра, то это носит лишь временный характер (хотя прекращение синтеза, вероятно, вызывается недостаточностью какого-либо фактора обмена, лишь косвенно связанного с синтезом белка как таковым). Вследствие такой зависимости синтеза белка от целостности структуры новейшие исследования природы субмикроскопических структур клетки, пожалуй, дали наиболее важные сведения для более четкого понимания природы механизма биосинтеза. Несмотря на то, что эти исследования главным образом касались статической морфологии, на основании их результатов создается представление о клетке как о высокоорганизованной системе, которая состоит из взаимосвязанных метаболических единиц и которая должна соответствовать всем необыкновенным открытиям, сделанным энзимологами и генетиками.

Особенно важную роль в процессе изучения архитектуры клетки сыграли два относительно новых метода - электронная микроскопия ультратонких срезов и дифференциальное центрифугирование клеточных компонентов в растворе сахарозы.

Метод дифференциального центрифугирования дает возможность выделить более или менее гомогенные образцы митохондрий, микросом, ядер и других клеточных включений и позволяет изучить относительную способность этих отдельных фракций включать меченые предшественники в нуклеиновые кислоты и белки. Мы обсудим эти наблюдения ниже, а сейчас обратимся прежде всего к некоторым результатам, полученным при помощи электронной микроскопии и показывающим расположение этих функциональных компонентов неповрежденной клетки.

Представлена электронная микрофотография поджелудочной железы морской свинки, полученная Паладом. Точные наблюдения и измерения множества таких фотографий позволили установить наличие в цитоплазме мембран, расположенных в виде концентрических окружностей и имеющих толщину около 40 А. Эти мембраны, которые называют по-разному - , эргастоплазма или просто внутриклеточные цитоплазматические мембраны, - усеяны мелкими гранулами, мало проницаемыми для электронов. Это те самые гранулы, которые можно выделить из гомогената ткани при дифференциальном центрифугировании в виде отдельной фракции (они обычно прикреплены к обрывкам разорванных мембран). Шёстранд и Хэнзон сообщили, что в их опытах усеянные гранулами мебраны всегда располагались так, чтобы к митохондриям, клеточной оболочке или к другим мембранам была обращена сторона с гранулами, а к ядру - гладкая поверхность мембраны. Правильность этих наблюдений была подтверждена также рядом других исследователей. Такое расположение совместимо со схемой. Здесь эндоплазматическая сеть изображена не в виде множества отдельных мембран, а в виде структуры, подобной смятой оболочке шара, окружающей ядро. При этом гранулы могут иметь ориентацию, наблюдавшуюся Шёстрандом и Хэнзоном, а клетка оказывается разделенной на два главных отдела: один из них содержит ядро, а другой - митохондрии вместе с цитоплазматической жидкостью, в которую они погружены. Подобная структура создает в клетке большую поверхность, необходимую для метаболической активности, и может служить естественной границей между «генетической» частью клетки и ее синтетическим аппаратом.

Следует подчеркнуть, что схема - лишь один из нескольких возможных вариантов, приемлемых для специалистов-цитологов. Эта схема приведена здесь только для того, чтобы показать читателю, насколько подробно изучена субмикроскопическая структура клетки. Единодушие, проявляемое специалистами в истолковании получаемых картин, больше, чем можно было бы ожидать в любой быстро развивающейся области науки; весьма ценно, что наибольшие различия во взглядах среди цитологов касаются относительно незначительных вопросов.

При гомогенизации ткани эндоплазматическая сеть разрушается. Результаты последних исследований ясно показывают, что так называемая микросомная фракция состоит главным образом из гранул, к которым еще присоединены обрывки сети. При обработке препаратов микросом веществами, разрушающими липопротеиды, например дезоксихолатом, удается выделить частицы, содержащие большую часть РНК первоначального препарата и лишь небольшую часть (примерно 1/6) первоначального содержания белка. Однако при электронно-микроскопическом изучении препаратов, обработанных рибонуклеазой, переваривающей и расщепляющей РНК, в них было обнаружено лишь вещество мембран. В некоторых тканях, например в яйцеводе курицы, эргастоплазма не такая хрупкая, и даже после довольно сильной гомогенизации путем центрифугирования при относительно небольшом числе оборотов удается выделить сравнительно малоповрежденные комплексы мембран с гранулами. Происхождение эргастоплазмы не установлено. Недавно было показано, что в клетках печени животных, получивших пищу после продолжительного периода голодания, регенерация мембран начинается по периферии клеток. Эти мембраны лишены гранул и лишь впоследствии приобретают вид, характерный для активно секретирующих клеток, т. е. оказываются усеяны гранулами. Было высказано предположение, что эндоплазматическая сеть представляет собой результат длительного пиноцитоза (поглощения воды) и фагоцитоза (поглощения частиц) на поверхности клетки. Электронно-микроскопические исследования показали, что поглощенная жидкость и твердые частицы окружаются слоем внешней протоплазматической мембраны, захватываемой при проникновении питательных веществ сквозь поверхностный слой клетки. Эта мембрана становится продолжением эндоплазматической сети.

Если эти наблюдения подтвердятся, то придется допустить, что описываемые процессы должны быть связаны с интенсивным обменом. Например, как показали недавно Свердлоу, Дальтон и Беркс, если бы внедрение протоплазматической мембраны в клетки, способные к активному поглощению, такие, как макрофаги, было длительным процессом, то клетки состояли бы только из этих мембран. В таких клетках, безусловно, необходимы активные процессы как для регенерации новой мембраны, так и для разрушения эндоплазматической сети, которая при своем разрастании вдавливается в ядро.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Механизм синтеза небелковых веществ

Ядрышко

При ЭМ в ядрышке описывают 3 компонента :

1. Транскрипция ДНК с образованием м-РНК

2. Образование в зоне ядрышка рибосомальной РНК

3. Сборка в зоне ядра предшественника рибосом

4. Поступление большой и малой субьединиц рибосом в цитоплазму

5. Синтез на свободных рибосомах ферментов для биосинтеза небелковых веществ (углеводов и липидов)

6. Поступление ферментов в гиалоплазму или гладкую ЭПС, где происходит синтез углеводов или липидов

7. Поступление этих веществ в комплекс Гольджи, формирование секреторной гранулы с выделением из клетки или сохранением веществ внутри клетки

Таким образом, липиды и углеводы синтезируются в цитоплазме и гладкой ЭПС, упаковываются в КГ с эффектом (“ минус- мембрана”).

Ферменты, принимающие участие в биосинтезе этих липидов – это интегральные мембранные белки, каталитические участки которых обращены в цитозоль. Синтез происходит с помощью нескольких ферментативных реакций. Новые липиды свободно диффундируют в плоскости бислоя и быстро смешиваются с липидами наружного слоя мембраны. Кроме того, фермент флиппаза может перемещать вновь синтезированные липиды во внутренний слой мембраны. Так происходит быстрое смешивание глицерофосфолипидов.

2. Реснички – располагаются в апикальной зоне клетки и имеют две части (рис. 6) : а) наружную - аксонему

б) внутреннюю – безальное тельце

1. Транспорт низкомолекулярных соединений осуществляется тремя способами:

1. Простая диффузия

2. Облегченная диффузия

Активный транспорт

Механизм действия транслоказы:

1. Наличие открытого гидрофильного канала для веществ определенного размера и заряда.

2. Канал открывается только при связывании специфического лиганда.

2. Транспорт через мембраны высокомолекулярных соединений

Переход частиц через плазмолемму происходит всегда в составе мембранного пузырька: 1. Эндоцитоз : а. пиноцитоз, б. фагоцитоз, в. эндоцитоз, опосредованный рецепторами.

Экзоцитоз: а. секреция, б. экскреция, в. рекреция – это перенос твердых веществ через клетку, здесь сочетается фагоцитоз и экскреция.