Основные аспекты биологии

Гиалоплазма представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. Именно в ней протекают все процессы обмена веществ, она обеспечивает взаимосвязь ядра и всех органоидов

Функции цитоплазмы:

объединение всех компонентов клетки в единую систему,

среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов,

среда для существования  и функционирования органоидов.

Мембранные  органеллы: Эндоплазматическая сеть, Аппарат Гольджи, Лизосомы, Пероксисомы, Митохондрии

Немембранные  органеллы: Рибосомы, Центриоли клеточного центра, Элементы цитоскелета.

1. Эндоплазма- тическая сеть- Это совокупность плоских мембранных мешков (цистерн), вакуолей и трубочек.
2. Комплекс (аппарат) Гольджи- Скопление 5-10 лежащих друг на друге плоских мембранных цистерн, от которых отшнуровываются мелкие пузырьки.
3. Лизосомы-Мембранные пузырьки, содержащие ферменты гидролиза биополимеров (протеазы, нуклеазы, гликозидазы, липазы и т.д.)
4. Перокси-сомы-Мембранные пузырьки, содержащие оксидазы - ферменты окисления субстратов непосредственно кислородом.
5. Митохондрии-Органеллы, отграниченные (как и ядро) двумя мембранами, из которых внутренняя образует многочисленные впячивания (кристы) внутрь митохондрии.
6. Рибосомы-Небольшие частицы из двух субъединиц рибонуклеопротеидной природы.
7. Микро-филаменты-Нити из белка актина, пронизывающие гиалоплазму в тангенциальном направлении (вдоль длинной оси клетки или её отростка).
8. Микро-ворсинки -Выпячивания цитоплазмы, каркас которых составляют параллельные пучки микрофиламентов.
9. Проме-жуточные филаменты-Нити, чей белковый состав различен в клетках разных тканей.
10. Микро-трубочки-Полые трубки из белка тубулина, имеющие, в основном, радиальную ориентацию в клетке.
11. Центриоли-Пара полых цилиндров, образованных микротрубочками и лежащих возле ядра.
12. Реснички и жгутики-Выпячивания цитоплазмы, каркас которых составляет аксонема - полый цилиндр из микротрубочек.

 

транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану

 через мембрану  происходит транспорт веществ  в клетку и из клетки. Транспорт  через мембраны обеспечивает: доставку  питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики) и белки-каналы или путем эндоцитоза.

При пассивном  транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем  диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула.

Активный транспорт  требует затрат энергии, так как  происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивают в клетку ионы калия и выкачивают из неё ионы натрия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура и свойства ДНК,РНК

 ДНК представляет  собой биополимер, мономером которого  является нуклеотид.

Каждый нуклеотид  состоит из остатка фосфорной кислоты присоединённого по 5'-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот

Исходя из структуры  молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом.

В виде исключения в ДНК встречается пятый тип  оснований — урацил, пиримидиновое  основание, отличающееся от тимина отсутствием  метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК.

Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул  РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с  помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомальных РНК.

Большинство природных  ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную или кольцевую. Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы и  бактериофаги. Молекулы ДНК находятся  в плотно упакованном, конденсированном состоянии. В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора хромосом. Бактериальная ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в неправильной формы образовании в цитоплазме, называемым нуклеоидом. Генетическая информация генома состоит из генов.

Азотистые основания  в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином  и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин

Вторичная структура  РНК-компонента теломеразы простейших «Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуемой с помощью водородных связей внутри одной молекулы. Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.

Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Генетический  код

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок  представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.

Свойства

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в  состав двух или более триплетов

Однозначность—  определённый кодон соответствует  только одной аминокислоте Вырожденность— одной и той же аминокислоте может  соответствовать несколько кодонов.

Универсальность — генетический код работает одинаково  в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека

Помехоустойчивость  — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

 

Организация генома прокариот

Прокариоты  – это организмы, в клетках  которых отсутствует оформленное  ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие  от ядра, нуклеоид не имеет собственной  оболочки.

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами.

Специфическим веществом клеточной стенки прокариот  является муреин. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины.

 

Организация генома эукариот

Различают следующие  фракции в геноме эукариот.

1.        Уникальные, т.е. последовательности, представленные в одном экземпляре или немногими копиями. Как правило, это цистроны – структурные гены, кодирующие белки.

2.        Низкочастотные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз.

3.        Промежуточные, или среднечастотные,  повторы – последовательности, повторяющиеся  сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК, тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов.

4.        Высокочастотные повторы, число  которых достигает 10 миллионов.  Это короткие некодирующие последовательности, которые входят в состав прицентромерного гетерохроматина.

 

 

 

этапы экспрессии генов эукариот в процессе биосинтеза белка

Экспрессия генов - это  процесс реализации информации, закодированной в структуре ДНК, на уровне РНК  и белков.

Транскрипция

В процессе транскрипции генов происходит биосинтез молекул РНК, комплементарных одной из цепей матричной ДНК, сопровождаемый полимеризацией четырех рибонуклеозидтрифосфатов с образованием 3'–5'-фосфодиэфирных связей и освобождением неорганического пирофосфата. Основными ферментами, осуществляющими транскрипцию, являются ДНК-зависимые РНК-полимеразы, которые функционируют с участием многочисленных факторов транскрипции – регуляторных белков, осуществляющих высокоспецифические белок–белковые и белково–нуклеиновые взаимодействия. Взаимодействия факторов транскрипции с регуляторными нуклеотидными последовательностями генов, друг с другом и с молекулами РНК-полимеразы необходимы для правильного узнавания транскрипционным комплексом регуляторных последовательностей в составе генов и приводят к повышению или понижению уровня транскрипции соответствующих последовательностей как ответ клеток на внешние или внутренние регуляторные сигналы. Благодаря факторам транскрипции и регуляторным последовательностям генов становится возможным специфический синтез РНК и осуществляется регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции.

Процессинг 

Между транскрипцией и  трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые  обеспечивают созревание функционирующей  матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни иРНК.

Сплайсинг белков— внутримолекулярный автокаталитический процесс, происходящий в некоторых белках, при котором  внутренняя часть белка (под названием интеин) выщепляется из белка-предшественника с последующим лигированием оставшихся частей. На месте сплайсинга в белке-предшественнике находится цистеин или серин, то есть аминокислота с нуклеофильной боковой группой. Известные в настоящее время реакции сплайсинга не требуют экзогенных кофакторов и источников энергии (например, АТФ или ГТФ). До открытия сплайсинга белков словом «сплайсинг» обозначали сплайсинг пре-мРНК.

Биосинтез иРНК осуществляется в ядре в процессе транскрипции. В ходе транскрипции строится нуклеотидная последовательность иРНК, соответствующая нуклеотидной последовательности одной из цепей ДНК хромосомы. Транскрипция осуществляется ферментативным путем. Азотистые основания иРНК комплементарны азотистым основаниям соответствующего участка, с которого происходит переписывание генетической информации. После окончания транскрипции иРНК переходит на рибосомы, где с нее происходит считывание информации в последовательность аминокислот растущей полипептидной цепи. Последовательность триплетов иРНК определяет последовательность аминокислот в растущей цепи белка. Если вначале матрицей для синтеза иРНК служила ДНК, то теперь иРНК сама служит матрицей для построения белковой цепи. Поэтому существует еще одно название иРНК — матричная РНК.

ТРАНСЛЯЦИЯ 

синтез полипептидных  цепей белков по матрице информационной РНК согласно генетич. коду; второй этап реализации генетич. информации в живых клетках. В процессе Т. информация о специфич. строении будущего белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах иРНК, переводится с нуклеотидного кода в определённую последовательность аминокислот в синтезируемых белках.

 

Регуляция экспрессии генов

Французские ученые Жакоб и Мано в 1961 году предложили схему регуляции экспрессии генов  на уровне транскрипции. Они установили, что в молекуле ДНК есть участки (транскриптоны, или опероны), где  закодировано строение специфических РНК – структурные гены и регуляторные участки. Непосредственно перед структурными генами располагаются регуляторные участки – ген-оператор и промотор. С промотором связывается фермент – РНК-полимераза, «запускающий» транскрипцию.. Репрессорный белок синтезируется в ядре.

Существует  другой механизм регуляции на уровне транскрипции – индукторный. Ряд  веществ могут связывать белок-репрессор, тем самым открывая путь для синтеза  белка.   Регуляция на уровне транскрипции также связана с гистонами и другими белками, связанными с ДНК. Комплексы белков с ДНК функционально не активны, большинство генов в ДНК подавлены.