Учебно-методический комплекс дисциплины «Биология клетки» для специальностей:


с. 1 с. 2 с. 3 с. 4
Тема №7: Современные представления о строении клеточных мембран
Электронно-микроскопическое исследование плазматической мембраны. Специализированные структуры клеточной поверхности. Рост плазматической мембраны. Транспортная функция мембраны. Рецепторная функция мембраны
Клеточная мембрана (цитолемма, плазматическая мембрана) занимает в клетке пограничное положение и играет роль полупроницаемого селективного барьера, который, с оной стороны, отделяет цитоплазму от окружающей клетку среды, а с другой обеспечивает ее связь с этой средой.

Функции плазмолеммы определяется ее положением и включает:1) распознавание данной клеткой других клеток и прикрепление к ним; 2) распознавание клеткой межклеточного вещества и прикрепление к его элементам; 3) транспорт веществ и частиц в цитоплазму и из нее; 4) взаимодействие с сигнальными молекулами (гормонами, медиаторами, цитокинами), 4) движение клетки.

Клеточная мембрана имеет трехслойное строение. Липидный бислой представлен преимущественно молекулами фосфатидилхолина (лецитина) и фосфатидилэтаноламина (цефалина ). Мембранные белки составляют более 50% массы мембраны и удерживаются в липидном бислое за счет гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. Мембранные белки представлены двумя группами- интегральные и периферические. Периферические белки непрочно связаны с поверхностью мембраны и обычно находятся вне липидного бислоя. Интегральные белки погружены в липидный бислой.

Даниели и Давсон предложили модель пограничной клеточной мембраны, состоящей из организованных слоев липидов и протеидов, которая удовлетворительно объясняла три ее основных свойства: избирательную проницаемость для веществ, растворяющихся в липидах, низкое поверхностное натяжение и большое электрическое сопротивление. По данным этих авторов, клеточная мембрана должна состоять по крайней мере из двух, а возможно и более, ассиметричных мономолекулярных слоев липидных молекул, ориентированных таким образом, что их гидрофобные группы обращены друг к другу, а гидрофильные кнаружи. При значительном разнообразии клеточных мембран все они представлены пластами липопротеидной природы (липиды-40%, белки-60.

Транспортная функция обеспечивает: 1) доставку питательных веществ; 2) секрецию различных полезных веществ; 3) удаление конечных продуктов обмена веществ; 4) создание ионных градиентов. Важных для нервной и мышечной деятельности; 5) поддержание в клетке соответствующего рH. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или выхода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо и эндоцитоз.

Плазматическая мембрана и прилегающий к ней слой цитоплазмы могут образовывать в некоторых типах клеток различные специализированные структуры. Последние часто возникают на смежных поверхностях контактирующих клеток (десмосомы, вставочные и замыкающие пластинки, синапсы). Несмотря на большое морфологическое и функциональное разнообразие специализированных структур клеточной поверхности, общим для них является то, что они возникают в связи с особой ролью пограничного слоя цитоплазмы во взаимодействии клеток с внешней средой или в обеспечении их интеграции в составе ткани и организма. Соединения между клетками в составе тканей и органов многоклеточных животных организмов могут образовываться сложными специальными структурами называемыми межклеточными контактами. Все имеющиеся межклеточные контакты по их функциональному значению можно разделить на три группы. К первой группе относятся простой контакт, контакт типа замка, десмосомы. Ко второй группе- плотный контакт, к третьей группе- щелевой контакт. Особый вид межклеточных контактов образуется на концах нервных клеток- синаптический контакт. У прокариотических клеток и у клеток растений, снаружи расположена плотная клеточная оболочка . Роль клеточных стенок и для прокариотических клеток, и для клеток растений чрезвычайно велика. Это не только защитная оболочка, не только внешний каркас, за счет которого строится сложное тело растения, это фактор, обеспечивающий тургорные свойства клеток. Клеточная стенка состоит из двух компонентов: аморфного пластинчатого гелеобразного матрикса с высоким содержанием воды и опорной фибриллярной системы. В состав матрикса оболочек входят полисахариды, гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Гемицеллюлозы представляют собой полимерные цепи, состоящие из различных гексоз, пентоз и уроновых кислот. Волокнистые компоненты клеточных оболочек состоят из целлюлозы, линейного, неветвящегося полимера глюкозы.

Мембранные рецепторы выполняют следующие функции: 1) регулируют проницаемость плазмалеммы; 2) регулируют поступление некоторых молекул в клетку; 3) действуют как датчики, превращая внеклеточные сигналы во внутриклеточные; 4) связывают молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом. Эти рецепторы, называемые интегринами, играют важную роль в формировании контактов между клетками и клеткой и компонентами межклеточного вещества.

Рецепторы, связанные с каналами, взаимодействуют с сигнальной молекулой (нейромедиатора), которая временно открывает или закрывает воротный механизм, в результате чего инициируется или блокируется транспорт ионов через канал.

Каталитические рецепторы включают внеклеточную часть и цитоплазматическую часть, которая функционирует как протеинкиназа.

Рецепторы, связанные с G-белками- трансмембранные белки, ассоциинированные с ионным каналом или ферментом, состоят из рецептора, взаимодействующего с сигнальной молекулой (первый посредник) , и G-белка, который передает сигнал на связанный с мембраной фермент.

Поверхностный аппарат клетки состоит из трех компонентов: 1) гликокаликс, 2) плазмалеммы, 3) подмембранного комплекса (кортикальный слой) .

Вопросы для самоконтроля:

1. Расскажите о микроскопическом и субмикроскопическом строении клеточной оболочки?

2. Какую функцию она выполняет?

3. Какие рецепторы находятся на поверхности плазматической мембраны



Литература: 1-10 (основная); 11,12,15,19,20,22 (дополнительная)

Тема №8: Микроскопическая и субмикроскопическая организация, химический состав и ферментативные свойства клеточных структур.
Вакуолярная система цитоплазмы. Функции вакуолярной системы. Цитоплазматический матрикс. Эндоплазматическая сеть. Рибосомы. Аппарат Гольджи.

Цитоплазма представляет жидкую среду, в которой расположены организованные клеточные структуры- ядро и различные компоненты. В цитоплазме различают мембранные и немембранные компоненты. К немембранным компонентам относятся микротрубочки и органеллы, построенные из них, микрофиламенты и микрофибриллы. Мембранные структуры цитоплазмы, представляют собой отдельные или связанняе друг с другом отсеки, содержимое которых отделено мембранами как от собственно гиалоплазмы, так и от плазматической мембраны. Мембранные структуры цитоплазмы можно разделить на две группы. Одно из них - вакуолярная система. К ней относятся эндоплазматическая сеть (гранулярная и агранулярная), комплекс Гольджи и лизосомы. К другой группе мембранных компонентов цитоплазмы относятся двумембранные органоиды- митохондрии и пластиды. Несмотря на то что в состав вакуолярной системы входят различные в морфологическом и функциональном отношении компоненты, она представляет собой единое целое. В живой клетке гиалоплазма выглядит бесструктурной массой, заполняющей промежутки между структурами ядра. В состав гиалоплазмы входят различные белки, в т.ч. нуклеопротеиды, гликопротеиды и ферменты. Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в том, что эта среда объединяет все клеточные структуры и обеспечивает химическое взаимодействие друг с другом.

Согласно точке зрения Портера, Палладе и многих др. исследователей (1953) г. эндоплазматическая сеть представляет собой разветвленную сеть каналов, ограниченных двойными мембранами. Форма этих каналов весьма различна. На микрофотографиях профили их бывают округлыми от 250 до 5000 А в диаметре, продолговатыми или узкими (400-500 А) в поперечнике, представляя собой разрезы через плоские пузырьки или цистерны.. Наблюдения Палладе показали, что на наружной поверхности мембран располагаются мелкие гранулы, размером 100-150 А. Гранулы получившие название рибосом, располагаются на наружной стороне мембраны канальцев, обращенной к цитоплазматическому матриксу. Такой тип эндоплазматической сети был назван Портером «шероховатым», как правило это уплощенные пузырьки или плоские цистерны.. Другая разновидность эндоплазматической сети отличается отсутствием на его мембранах гранулярного компонента и носит название агранулярной .

Рибосомы в основном состоят из белка и РНК, примерно наполовину, с небольшим количеством липидов или же без них.

Рибосомы представляют собой сферические рибонуклеопротеидные частицы диаметром 150-350 А и состоят примерно из одинакового количества белка и РНК. Они могут располагаться свободно или быть прикрепленными к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети.

В 1808 г. К.Гольджи импрегнировал в цитоплазме нейронов с помощью азотнокислого серебра своеобразную сетевидную структуру, названную им внутренним сетчатым аппаратом. Комплекс Гольджи состоит из следующих морфологических компонентов:.

1) уплощенных мешочков( цистерн), на срезах имеющих вид плотных уплощенных мембран.

2) скоплений пузырьков около 600 А в поперечнике, тесно связанных с цистернами.

3) крупных прозрачных вакуолей, обычно находящихся на периферии комплекса Гольджи.

Эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи совместно с цитоплазматическим матриксом участвует в различных механических функциях клетки. Мембраны вакуолярной системы могут регулировать обмен веществ между внутренней областью клетки и наружным ее участком.



Вопросы для самоконтроля:

1. Кто впервые открыл и описал строение эндоплазматической сети?

2. Охарактеризуйте строение эндоплазматической сети?

3. Что собой представляют рибосомы?

4. Какую функцию выполняют рибосомы и пероксисомы?

5. Кто описал строение аппарата Гольджи?

6. Каковы строение и функции аппарата Гольджи?

Литература:1-10(основная); 11,12,14,15,20,22 (дополнительная)
Тема №9: Микроскопическая и субмикроскопическая организация, химический состав и ферментативные свойства клеточных структур.

Лизосомы. Клеточный центр. Митохондрии. Микротрубочки.


Впервые лизосомы описал в 1955 Де Дюва со своими учениками.. Эти частицы ограничены мембранами и содержат ряд гидролитических ферментов с оптимумом действия в кислой среде . Лизосомы имеют округлую или овальную форму диаметром около 0,4 мк., ограниченными одной трехслойной мембраной Робертсона. Лизосомы в основном локализуются рядом с аппаратом Гольджи. Имеющиеся в лизосомах ферменты способны расщеплять протеины, нуклеиновые кислоты и полисахариды.

Среди различных по морфологии лизосомных частиц можно выделить четыре типа: первичные лизосомы, вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Впервые клеточный центр был описан Флемингом (1875) и Бенеденом (1876) . Клеточный центр расположен вблизи ядра и комплекса Гольджи. При электронной микроскопии центриоли видны в виде цилиндров 300-500 нм. длины и 150 нм. в диаметре, стенка которых образована девятью группами микротрубочек. Каждая группа содержит 3 микротрубочки по 25 нм. в диаметре. В группе микротрубочки располагаются цепочкой, ориентированной к радиусу центриоли под углом 40 . Микротрубочка, наиболее удаленная от периферии структуры, обозначается как субъединица А. остальные две соответственно их положению, В и С. Микротрубочка А состоит из 13 тубулиновых протофиламентов. Микротрубочки В и С – из 10-11.

Митохондрии ( греч. «митос»- нить и «хондрион»-гранула) представляют собой гранулярные или нитевидные органоиды.

Митохондрии присутствуют практически во всех эукариотических клетках. Их главная функция- обеспечение химической энергией, необходимой для биосинтетической и моторной активности клеток.. На светооптическом уровне митохондрии выглядят как нити или короткие палочки, реже- зерна. Их средняя длина 2-6 мкм., ширина 0,2 мкм. Обычно они распределены по всей цитоплазме, но иногда, могут быть сконцентрированы на тех участках клетки, где потребность в энергии наибольшая. Митохондрия состоит из двух мембран, наружная мембрана толщиной около 60 А, вероятно обуславливает проницаемость этого органоида. С внутренней стороны этой мембраны находится другая мембрана, отделенная от первой пространством в 60-80 А и образующая сложные выросты, отходящие в полость митохондрии ( так называемые кристы). Эта внутренняя мембрана толщиной также около 60 А разделяет полость митохондрии на две камеры: 1) наружную, находящуюся между двумя мембранами и сообщающуюся с внутренним пространством в кристах и 2) внутреннюю, ограниченную внутренней мембраной. Ориентация крист по отношению к длинной оси митохондрии различна для разных клеток.

Во всех эукариотических клетках была обнаружена сеть тонких белковых нитей. Они образуют цитоскелет. Различают три таких типа структур: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты.



Вопросы для самоконтроля:

1. Кто впервые открыл лизосомы?

2. Какую функцию выполняют лизосомы?

3. Расскажите о строении клеточного центра?

4. Кто описал строение клеточного центра?

5. Каковы строение и функции митохондрий?



Литература: 1-10 (основная); 11,12,14,15,20,22 (дополнительная)

Тема № 10: Роль клеточных структур в явлениях наследственности. Консервация половых клеток
Цитологические основы наследственности. Митоз, мейоз и оплодотворение. Хромосомные перестройки и их механизмы. Строение и развитие половых клеток. Партеногенез. Консервация половых клеток
Функция воспроизведения и передачи генетической информации обеспечивается в ходе клеточного деления.

Клеточный цикл каждой клетки состоит из двух периодов: интерфазы (период между двумя делениями) и деления. Интерфаза более длительна, чем митоз и подразделяется на три периода: пресинтетичнский, синтетический и постсинтетический. Пресинтетический период наступает сразу же после митотического деления клетки и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл Синтетический период характеризуется удвоением содержания ДНК и синтезом белков, в частности, гистонов, которые поступают в ядро из цитоплазмы и обеспечивают нуклеосомную упаковку вновь синтезированной ДНК. В результате происходит удвоение числа хромосом. Пресинтетический период, в течении этого периода клетка осуществляет непосредственную подготовку к делению. Происходит созревание центриолей, запасается энергия, синтезируются РНК и белки (в частности тубулин) необходимый для процесса деления. Основой непрерывности материальных основ наследственности и приемственности организмов от поколения к поколению является процесс деления клеток.

Митоз, называемый также кариокинезом или непрямым делением клеток, длится 1-3 часа и обеспечивает равномерное распределение генетического материала в дочерние клетки. Митоз включает 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Благодаря митозу в двух дочерних клетках возникают два одинаковых ядра, точно воспроизводящих свойства ядра исходной клетки. В результате обе клетки, возникшие из одной исходной, полностью несут наследственную информацию, характеризующую данный организм.

Мейоз представляет процесс уменьшения числа хромосом вдвое путем двух клеточных делений - первого и второго деления мейоза. Различают три типа мейоза. Первым типом мейоза является зиготитический мейоз. Второй тип мейоза получил название промежуточного Для животных характерен третий тип мейоза, получивший название гаметического

Исходным моментом для понимания явлений наследственности служат данные о химическом составе хромосом, представлявших собой индивидуальные компоненты клеточных ядер. Главным в химической характеристике хромосом служит то, что они являются комплексным полимером из белков и нуклеиновых кислот. Генетическая информация организмов кодирована в молекулярных структурах ДНК, входящих в состав хромосом клеток, или в структурах нитей ДНК (в ряде случаев РНК), свойственных бактериям и вирусам. Поколения организмов появляются путем полового или бесполого размножения, в обоих случаях организмы каждого последующего поколения возникают из отдельных клеток (цитогония). При половом размножении такой клеткой служит оплодотворенное яйцо (зигота), возникающее от слияния женской (яйцеклетки) и мужской (спермий) гамет. Развитие женских половых клеток приводит к появлению яйцеклеток, которые вследствие больших запасов питательных веществ отличаются крупными размерами. Несмотря на громадные различия в размерах, спермий и яйцеклетка обладают одинаковыми- гаплоидными наборами хромосом. При бесполом размножении одна исходная клетка путем деления воспроизводит целый организм.

Половые клетки у всех позвоночных имеют жгутикообразную форму. Образуются они в половых железах самцов (семенниках). Спермии имеют головку (акросома, ядро) , шейку, хвостовую часть. Хвостовой отдел состоит из начальной, главной и концевой частей. В смерматогенезе различают четыре периода: размножения, роста, созревания и формирования.

По сравнению со спермиями яйцеклетки имеют овальную или шаровидную формы. Яйцеклетки покрыты оболочками (первичной, вторичной и третичной). В яйцеклетке различают ядро, ядрышко, цитоплазму, и оболочки. В овогенезе различают только три периода: размножения, роста и созревания.

Существуют различные методы оплодотворения (визоцерикальный , моноцервикальный, ректоцервикальный) методы.

Наряду с нормальным половым размножением, когда новый организм возникает путем слияния двух гамет существует иного вида размножение, которое имея характер полового, утратило либо один либо оба характерных момента последнего т.е. редукцию и оплодотворение. В зависимости от того дает ли начало новому организму половая клетка или же клетка вегетативная различают две категории апомиксиса - партеногенез и апогамию.

Различают генеративный, соматический партеногенез. Генеративный партеногенез- развитие организма из яйца с редукцированным азигоидным числом хромосом. Соматический партеногенез – развитие диплоидного или полиплоидного яйца.

Развитие технологии криоконсервации половых клеток привело к возможности создания банков криоконсервированных гамет и эмбрионов, что в свою очередь позволяет решать проблему аутоконсервации и донорства.

Консервация – это метод глубокой заморозки в жидком азоте, который имеет температуру - 196 С. Использование специальных криопротекторов, вытесняющих внутриклеточную воду, позволяет клеткам оставаться жизнеспособными после размораживания. Во многих странах используются также криоконсервация эмбрионов на стадии дробления. В зависимости от качества эмбрионов после оттаивания в этом случае выживают около 30-80 % эмбрионов. Одним из многообещающих методов является витрификация. Она позволяет избежать морально-этических и религиозных проблем, т.к. яйцеклетки также как и сперматозоиды являются половыми клетками. В 2002 году в Великобритании у женщины, чьи яйцеклетки были заморожены родилась девочка.



Вопросы для самоконтроля:

1.Перечислите виды деления клеток

1. Где хранится генетическая информация?

3. Какие виды мутаций различают?

5. Что такое партеногенез?

6. В чем значение криоконсервации?



Литература: 1-10 (основная); 11,12,15,20,22 (дополнительная)

Тема №11: Особенности строения растительных клеток.

Клеточная оболочка. Пластиды. Хлоропласты. Вакуоли. Включения.


Клеткам растений в отличие от клеток животных присущи следующие особенности: 1) наличие особых органоидов (пластид), к которым приурочены синтетические процессы, в частности первичный синтез органических веществ из минеральных за счет энергии света; 2) образование прочной оболочки значительной толщины; 3) существование развитой системы вакуолей, обуславливающий в значительной мере осмотические свойства клетки ; 4) накопление в клетках большего или меньшего количества продуктов синтеза.

Цитоплазма и ядро растительной клетки имеет в принципе такое же строение, как и у клеток животных. Протопласт окружен белково-липоидной мембраной-плазмалеммой или энтопластом и ограничен клеточной стенкой состоящей из оболочек двух соседних клеток, соединенных межклеточным веществом.

Опорным каркасом клеточной стенки бактерий и синезеленых водорослей служит полимер- глюкопептид муреин. Бактериальная стенка может составлять до 20-30% от сухого веса бактерий.

Эндоплазматическая сеть, которая через плазмадесмы сообщается с эндоплазматической сетью соседних клеток, принимает участие в образовании системы вакуолей. Пакеты более или менее плоских мембран, рассеянные в цитоплазме, представляют собой тельца Гольджи. Как и в клетках беспозвоночных, комплекс Гольджи у растений имеет вид отдельных рассеянных в цитоплазме гранул, называемых диктиосомами . Она представляет собой пачку уплощенных пузырьков, слегка расширенных на концах. Митохондрии растений отличаются меньшей протяженностью внутренних мембран, причем вместо перегородок (крист) формируются микротрубочки или микроворсинки. В цитоплазме также располагаются в виде капелек жира или гранул включения.

Ядро располагается в центральной части протопласта и окружено оболочкой снабженной многочисленными круглыми порами диаметром около 300 А. Оболочка ядра образует единую систему с эндоплазматической сетью клетки.

Внутренние структуры ядра- ядрышко и хромосомы лишены каких-либо оболочек, различимых в электронном микроскопе, поэтому они не имеют определенных очертаний. Существует три основных типа пластид по окраске: бесцветные- лейкопласты; окрашенные в зеленый цвет- хлоропласты; не зеленые- хромопласты.

Лейкопласты - бесцветные пластиды, большей частью неопределенной формы, характерные для неокрашенных частей растения. Зеленые пластиды-хлоропласты являются органоидами первичного синтеза углеводов при участии световой энергии- фотосинтеза. Эти пластиды развиваются, как правило, только на свету либо из пропластид, либо из других дефинетивных типов пластид ( лейкопластов, хромопластов). Хлоропласты архегониальных растений имеют обычно линзовидную форму и почти не различаются по размерам. Зеленой окраской хлоропласты обязаны присутствию ряда пигментов, из которых в первую очередь следует назвать хлорофиллы. Желтые, оранжевые, красные или бурые пластиды- хромопласты либо образуются в результате накоплений каротиноидов в пропластидах или лейкопластах, либо являются конечной стадией развития хлоропластов,когда происходит постепенное разрушение хлорофилла и увеличение содержания каротиноидов.

Характерной особенностью строения растительной клетки является наличие прочной клеточной стенки-окружающей плазматическую мембрану и защищающий ее. Клеточные стенки состоят главным образом из вырабатываемой клеткой целлюлозы; стенки соприкасающихся клеток сцементированы пектином.

По происхождению включения можно разделить на 3 группы:

1) Образующиеся в результате деятельности пластид (крахмал, жиры, пигменты).

2) Приуроченные к системе вакуолей (алейроновые зерна, кристаллы солей, пигментные тела).

3) Возникающие в цитоплазме благодаря деятельности диктиосом или эндоплазматической сети (жиры, слизи, эфирные масла).



Вопросы для самоконтроля:

1. Что собой представляют пластиды?

2. Какие различают хлоропласты?

3. Что входит в состав вакуолярного сока?

4. Расскажите о строении клеточной стенки.

Литература: 1-10 (основная); 11,12,15,20,22 (дополнительная)

Тема № 12 Нуклеиновые кислоты

Структура нуклеиновых кислот. Макромолекулярная структура ДНК . Модель Уотсона- Крика. ДНК - как передатчик генетической информации.


Нуклеиновые кислоты играют основную роль в хранении и реализации генетической информации. Различают два нуклеиновых кислот: ДНК и РНК, которые обеспечивают хранение генетической информации, и рибонуклеиновые кислоты (РНК) принимающие участие в ее реализации. Нуклеиновые кислоты являются биологическими полимерами.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК.

1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3-5 фофорноэфирыми связями.

2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа: в любой ДНК содержание пуриновых нуклеотидов (А,G) всегда равно содержанию

пиримидиновых нуклеотидов (Т,С); число остатков А всегда равно числу остатков Т, число остатков G равно числу остатков С.

3. Рентгенограммы волокон ДНК , впервые полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит боле одной полинуклеотидной цепи.

4. Кислотно-щелочное титрование ДНК показывает, что ее структура стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревние нативной ДНК вызывает заметные изменения ее физических свойств , в частности вязкости, переводя ее в «денатурированную» форму, причем ковалентные связи при этом не разрушаются.

На основании этих данных , Уотсон и Ф.Крик предложили трехмерную модель ДНК, которая объясняла результаты рентгеноструктурного анализа и характерную для ДНК парность оснований. Согласно их модели молекула ДНК представляет собой правильную правовинтовую спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей оси. Две полинуклеотидные цепи, расположенные по периферии молекулы, имеют антипараллельную ориентацию. Это означает, что если двигаться вдоль оси спирали от одного ее конца к другому в одной цепи, фосфорнодиэфирные связи имеют направление 3-5, а в другого 5-3,т.е. на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5 –конец одной цепи и 3- конец другой цепи. Диаметр спирали постоянен вдоль всей ее длины равен 2,0. Гидрофильные пентотозофосфатные остовы цепей расположены на внешней стороне двойной спирали. Гидрофобные пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей уложены стопкой с интервалом 0,34 нм и направлены внутрь спирали, плоскости колец гетероциклических оснований перпендикулярный главной оси спирали. Длина витка спирали (полный оборот спирали), который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,40 нм. На один виток спирали приходиться 10 нуклеотидных остатков в одной цепи.

Двойная спираль стабилизируется с помощью водородных связей между пуринами одной цепи ДНК и пермидинами другой, а именно, между А и Т, G и С. Оснований образующие пары, которых они сочитаются водородными связями, получили название комплементарных пар. В АТ-паре основанием соединены двумя водородными связями: одна- между амино- и кетогруппами, другая –между двумя атомами азота пурина и пиримидина. В GC- паре имеются 3 водородные: две из них образуются между амино- и кетогруппами соответствующих оснований, а третья между атомами пурина и пиримидина. В связи с этим последовательность онований в одной цепи определяет их последовательность в другой. Комплеметарность последовательности оснований в двухполинуклеотидных цепях - ключевое свойство ДНК. Позднее было устанвленно, что модель Д.Уотсона и Ф.Крик а описывает структуру одной из нескольких форм двойной спирали, названной В-формой. Это основная форма двуспиральной ДНК, в которой большая часть ее молекул существует в клетке.

Виды РНК: рибосомная (р РНК), транспортная (т РНК), и информационная (и РНК). Около 80-85 % массы клеточных РНК составляют три (прокариоты), четыре (эукариоты) вида рРНК, около 10% -почти 100 видов тРНК. На долю мРНК приходится 5% клеточной РНК.

Главной функцией транспортной (тРНК) является акцептирование аминокислот и перенос их в белоксинтезирующий аппарат клетки. Они выступают в роли затравки (праймера) в процессе обратной транскрипции. Рибосомная РНК (рРНК) является структурной основой для формирования рибонуклеопротедного тяжа, который складываяс в пространстве, дает начало 30-40 S- и 50-60 S- субчастицам рибосомы; рРНК взаимодействуют с мРНК и аминоцил - тРНК в процессе трансляции. Изучены первичная, вторичная и третичная структуры рРНК. Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией самой на себя полирибонуклеотидной цепи. Бисперальные и линейные участки этих молекул формируют постоянные и вариабельные домены, которые затем укладываются в более компактные структуры высшего порядка.

Матричные РНК (м РНК) считают РНК, которая в последовательности нуклеотидных остатков в молекуле несет информацию, обеспечивающую синтез специфического белка непосредственно на ней самой, а также информацию о времени, количестве, месте и условиях синтеза этого белка. Рассмотренные выше структуры и функции ДНК и РНК способствуют о значительно более разнообразных функциональных возможностях РНК по сравнению с ДНК, существование которой связано исключительно с необходимостью сохранения и передачи из поколения в поколение наследственны признаков. Современные знания о структурном и функционльном разнообразии РНК показывает, что РНК может служить матрицей не только для воспроизведения своей собственной структуры в РНК- содержащих вирусных геномах, но и для биосинтеза ДНК у высших организмов. Уже это открытие формально поставило РНК в центр основного постулата молекулярной генетики, так как , показало, что поток генетической информации распостраняется не в одном, а в в двух направлениях: не только к белку, но и к ДНК. РНК учатсвует в репликации ДНК, выступая в роли затравок, необходимых для инициации синтеза комплемнтарных цепей ДНК. РНК выполняет роль матричной молекулы в процессах обратной транскрипции (биосинтезе ДНК на матрице РНК). В биосинтезе белка (трансляции) РНК формирует основу субчастиц при сборке полной рибосомы.

Вопросы:


1 В чем значение РНК ?

2. Перечислите типы РНК

3. Дайте характеристику седиментационным свойствам нуклеиновых кислот.

4. Что подразумевается под вязкостью нуклеиновых кислот.

5. Чему равна плотность нуклеиновых кислот?

Литература: 1-10 (основная); 11,12,15,20,22 (дополнительная)

Тема № 13 Биосинтез белка
Трансляция, сворачивание белков, модификация. Подготовка аминокислот к трансляции, рекогнации. Регуляция экспрессии генов. Генетический код
Биосинтез белка (трнсляция) - важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Трансляция – это перевод четырехбуквенного (по числу нуклеотиов) «языка» нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный перевод (по числу протеиногенных аминокислот) «язык» белков. Перевод осуществляется в соответствии с правилами генетического кода. Трансляция происходит с участием рибосом и в ее осуществлении принимают участие три класса РНК (мРНК, рРНК, тРНК), а также группа особых белковых факторов трансляции. В последовательности ДНК®РНК®Белок недоставало сведений о том, каким образом происходят расшифровка наследственной информации и синтеза специфических белков, определяющие многообразие признаков живых существ. В настоящее время выяснены основные процессы, посредством которых осуществляется передача наследственной информации: они включают репликацию, т. е. Синтез ДНК на матрице ДНК, транскрипцию, т. е. Перевод языка и типа строения ДНК на молекулу РНК, и трансляцию – процесс, в котором генетическая информация, содержащаяся в молекуле мРНК, направляет синтез соответствующей аминокислотной последовательности в белке. Многие тонкие механизмы транскрипции окончательно не выяснены. Значительный вклад в современные представления о месте, факторах и механизме синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, А. А. Баева, А. С. Спирина и др.

Генетический код и его свойства

Необходимость кодирования структуры белков линейной последовательности  нуклеотидов мРНК и ДНК продиктованы тем, что в ходе трансляции:

Нет соответствия между числом номеров в матрице мРНК и продукте – синтезируемом белке;

Отсутствует структурное сходство между мономерами РНК и белка.

Это исключает комплиментарное взаимодействие между матрицей и продуктом – принцип, по которому осуществляется построение новых молекул ДНК и РНК, в ходе репликации и транскрипции.

Отсюда становится ясно, что должен существовать «словарь», позволяющий выяснить, какая последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок аминокислот в заданной последовательности. Этот «словарь» получил название генетического, биологического, нуклеотидного или аминокислотного кода. Он позволяет шифровать аминокислоты, входящие в состав белков, с помощью определенной последовательности нуклеотидов в ДНК и мРНК. Для него характерны определенные свойства.

Триплетность. Одним из основных вопросов при выяснении свойств кода был вопрос о числе нуклеотидов, которое должно определять включение  в белок одной аминокислоты. Сразу было понятно, что это число не может быть равным 1 или 2, так как в этом случае количество кодирующих элементов будет недостаточно для шифрования 20 аминокислот в белках. Число кодирующих последовательностей из четырех нуклеотидов по три равно 43=64, что более чем в 3 раза превышает минимальное количество, которое необходимо для кодирования 20 аминокислот. В дальнейшем было установлено, что кодирующими элементами в шифровании аминокислотной последовательности действительно являются тройки нуклеотидов или триплеты, которые получили название «кодоны».

Смысл кодонов

Смысл кодонов стал понятен в 60-х г. XX столетия, когда, используя безклеточную систему синтеза белков и синтетические полирибонуклеотиды и заданной последовательностью нуклеотидов в качестве матрицы, М . Ниренберг и Г. Маттей синтезировали полипептиды определенного строения. Так, на матрице поли-У, состоящей только из остатков УМФ, был получен полифенилаланин, а на матрице поли-Ц –полипролин. Из этого следовало, что триплет – UUU кодирует Фен, а триплет  -ССС – Про.

В последующих экспериментах использовали смешанные синтетические полирибонуклеотиды с известным составом. В результате этой работы удалось установить, что из 64 кодонов включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь шифрует 61 триплет, а 3 остальных UAA, UAG, UGA не кодируют включение в белок аминокислот и первоначально были названы бессмысленными, или нонсенкодоном. Однако в дальнейшем было показано, что эти триплеты сигнализируют о завершении трансляции, и поэтому их стали называть терминируюшими, или стоп-кодонами.

Кодоны мРНК и триплеты нуклеотидов в кодирующей нити ДНК с направлением от 5¢ к 3¢ - концу имеют одинаковую последовательность азотистых оснований, за исключением того, что в ДНК вместо урацила (U), характерного для мРНК, стоит тимин (Т).



Специфичность

Каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота. В этом смысле генетический код строго однозначен.



Выраженность

В мРНК и ДНК имеет смысл 61 триплет, каждый из которых кодирует включение в белок одну из 20 аминокислот. Из этого следует, что в информационных молекулах включения в белок одной и той же аминокислот определяет несколько кодонов. Это свойство биологического кода получило название вырожденности.

У человека одним кодоном зашифрованы только 2 аминокислоты – Мет и Три, тогда как Лей, Сер и Арг – шестью кодонами, а Ала, Вал, Гли, Про, Тре – четырьмя кодонами.

Линейность записи информации

В ходе трансляции кодоны мРНК «читаются» с фиксированной стартовой точки последовательно и не перекрываются. В записи информации отсутствуют сигналы, указывающие на конец одного кодона и начала следующего.

Кодон AUG является инициирующим и прочитывается только в начале, так и в других участках мРНК как Мет. Следующие за ним триплеты читаются последовательно без каких либо пропусков вплоть до стоп-кодона, на котором синтез полипептидной цепи завершается.

Универсальность

До недавнего времени считалось, что код абсолютно универсален, т. е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов: вирусов, бактерий, растений, земноводных, млекопитающих, включая человека. Однако позднее стало известно одно исключение, казалось, что митохондриальная МРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения. Так, в мРНК митохондрий триплет UGA кодирует Три, AUA –Мет, а AGA и AGG причитываются как дополнительные стоп-кодоны.



Колинеарность гена и продукта

У прокариотов обнаружено линейное соответствие последовательности кодонов гена и последовательности аминокислот в белковом продукте, или, как говорят, существует колинеарность гена и продукта.

У эукариотов последовательности оснований в гене, колинеарные аминокислотной последовательности в белке, прерываются интронами. Поэтому в эукариотических клетках аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой МРНК после постранскрипционного удаления интронов.

Белковый синтез, или процесс трансляции, может быть условно разделен на 2 этапа: активирование аминокислот и собственно процесс трансляции.

Второй этап матричного синтеза белка, собственно трансляцию, протекающей в рибосоме, условно делят на три стадии: инициации, элонгации и терминации.

Активирование аминокислот

Необходимым условием синтеза белка, который в конечном счете сводится к полимеризации аминокислот, является наличием в системе не свободных, а так называемых активированных аминокислот, располагающих своим внутренним запасом энергии. Активация свободных аминоксилот осуществляется при помощи специфических ферментов аминоацил –тРНК-синтетаз в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в 2 стадии:

Процессы трансляции включат три этапа: инициация, элонгация и терминации

Вопросы:


1.Как протекает биосинтез белка?

2.Что такое генетический код?

3. Каким свойствам обладает генетический код?

Литература: 1-10 (основная); 11,12,15,20,22 (дополнительная)


с. 1 с. 2 с. 3 с. 4

скачать файл