Другие внутриклеточные механизмы

Клеточная теория

1.Клетка является структурной единицей всего живого. Все живые организмы состоят из клеток.

2.Клетка является функциональной единицей всего живого. Клетка проявляет весь комплекс жизненных функций.

3.Клетка является единицей развития всего живого. Новые клетки образуются только в результате деления исходной материнской клетки.

4. Клетка является генетической единицей всего живого. В хромосомах клетки содержится информация о развитии всего организма.

5.Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и функциям

Органеллы - это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции.

Органоиды эукариот
Органелла	Основная функция	Структура	Организмы	Заметки
Хлоропласт(Пластиды)	фотосинтез	двухмембранная	растения,Протисты	имеют собственную ДНК; предполагают что хлоропласты возникли изцианобактерий в результатесимбиогенеза
Эндоплазматический ретикулум	трансляция и свёртывание новых белков (гранулярный эндоплазматический ретикулум), синтез липидов (агранулярный эндоплазматический ретикулум)	одномембранная	все эукариоты	на поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума находится большое количество рибосом, свёрнут как мешок; агранулярный эндоплазматический ретикулум свёрнут в трубочки
Аппарат Гольджи	сортировка и преобразование белков	одномембранная	все эукариоты	асимметричен — цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, а от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки
Митохондрия	энергетическая	двухмембранная	большинство эукариот	имеют свою собственнуюмитохондриальную ДНК; предполагают, что мит111охондрии возникли в результате симбиогенеза
Вакуоль	запас, поддержание гомеостаза, в клетках растений — поддержание формы клетки (тургор)	одномембранная	эукариоты, более выражена урастений
Ядро	Хранение ДНК, транскрипция РНК	двухмембранная	все эукариоты	содержит основную частьгенома
Рибосомы	синтез белка на основе матричных РНКпри помощи транспортных РНК	РНК/белок	эукариоты,прокариоты
Везикулы	запасают или транспортируют питательные вещества	одномембранная	все эукариоты
Лизосомы	мелкие лабильные образования, содержащие ферменты, в частностигидролазы, принимающие участие в процессах перевариванияфагоцитированной пищи и автолиза (саморастворение органелл)	одномембранная	большинство эукариот
Центриоли (клеточный центр)	Центр организации цитоскелета. Необходим для процесса клеточного деления (равномерно распределяетхромосомы)	немембранная	эукариоты
Меланосома	хранение пигмента	одномембранная	животные
Миофибриллы	сокращение мышечных волокон	сложно организованный пучок белковых нитей	животные

Поток информации, веществ и энергии в клетке.

Поток информации

Благодаря наличию потока информации клетка, используя многовековой эволюционный опыт предков, создает органи­зацию, соответствующую критериям живого, сохраняет и поддержива­ет эту организацию во времени, несмотря на меняющиеся условия внешней среды, передает ее в ряду поколений. В потоке информации участвуют ядро (ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (иРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертич­ную структуру и используются в качестве катализаторов или структур­ных блоков (рис. 7). Кроме ядерного генома, основного по объему заключенной информации, в эукариотических клетках функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых растениях и хлоропластов.

Из приведенной схемы видно, что в рассматриваемом потоке происходит перенос информации с ДНК на белок. Что представляют собой коды, с помощью которых записана информация в ДНК и белке? Каков механизм перекодирования?

Кодирование заключается в записи определенных сведений при помощи специальных символов с целью придать информации компактность, обеспечить ее использование неоднократно и по частям, создать удобства при транспортировке. Типичный пример кодирова­ния — фиксация человеческой мысли в виде письменного текста. В процессе кодирования путем сочетаний символов составляют кодовые группы, служащие для обозначения существенного элемента информации. Весь объем сообщения представлен опреде­ленной последовательностью кодовых групп. Совокупность символов составляет алфавит, а совокупность кодовых групп словарь кода.

Символами кода ДНК служат дезоксирибонуклеотиды, различаю­щиеся по азотистому основанию (адениловое, гуаниловое, тимидиловое, цитидиловое), поэтому алфавит четырехбуквенный. Кодовой группой служит кодон — участок молекулы ДНК, состоящий из трех нуклеотидов. Это делает код триплетным. Информация записывается в линейном порядке по длине молекулы ДНК в виде последовательности кодонов. Код ДНК неперекрывающийся, так как каждый нуклеотид

входит в один кодон. Он не имеет запятых и в пределах блока информа­ции, соответствующего, например, одному полипептиду, кодоны сле­дуют друг за другом без перерывов.

Символом кода белка служат аминокислоты. Они же соответству­ют и кодовым группам. Информация также записывается в линейном порядке по длине молекулы полипептида в виде последовательности аминокислот.

Сопоставление участка молекулы ДНК как начального пункта и отвечающего ему по содержанию полипептида как завершающего пункта потока информации указывает на коллинеарность кодов ДНКи белка: кодоны следуют в том же порядке, что и остатки аминокислот, кодируемых ими.

Положение конкретного аминокислотного остатка в молекуле полипептада может быть обозначено в ДНК при помощи одного из нескольких кодонов-синонимов, что свидетельствует о вырож­денности кода ДНК. Указанное свойство вытекает из соотношения объемов словарей кодов ДНК и белка. Сочетанием по три из четырех возможных дезоксирибонуклеотидов образуются 64 различных кодона, тогда как в состав белка входит 20 аминокислот. Вырожденность кода ДНК носит регулярный характер: большая часть

информации приходится на первые два нуклеотида колона. Каждой аминокислоте соответствует не более двух таких начальных дуплета, тогда как число кодонов-синонимов может доходить до шести (например, для аргинина). Вырожденность кода и информационная неравнозначность нуклеотидов в кодоне влияют на фенотипическое выражение точковых мутаций. Действительно, наряду с изменениями, приводящими к замене одного аминокислотного остатка другим, возможны «безмолвные» мутации, если изменение переводит кодон в синоним. Хотя замена кодона синонимом не нарушает последова­тельности аминокислот в полипептиде, она может повлиять на скорость его синтеза. Три кодона из 64, названные бессмысленными, не кодируют аминокислот. Они служат терминаторами и обознача­ют точку прекращения считывания информации. Код ДНК универсален в том смысле, что он тождествен у всех организмов. Единичные факты, не согласующиеся с таким заключени­ем, касаются деталей пунктуации (например, обозначения начала считывания у кишечной палочки и в клетке млекопитающего) и считывания бессмысленных кодонов.

Перекодирование информации происходит в процессе биосинтеза белка. На первом этапе, обозначаемом как транскрипция, исходная информация ДНК считывается путем синтеза рибонуклеиновых кислот. Последние комплементарны лишь одной из полинуклеотидных цепей ДНК, место тимина в них занимает близкое х нему азотистое основание — урацил. В эукариотической клетке этот этап осуществляется в ядре, а также независимо в митохондриях и хлоропластах. В результате тран­скрипции образуется несколько разновидностей РНК, при этом иРНК приобретает информацию о последовательности аминокислот в поли­пептидах, а рРНК и тРНК обеспечивают перенос информации с иРНК на полипептиды.

Особенность транскрипции с ядерной ДНК эукариотической клетки заключается в образовании первоначально большего количества РНК, чем то, которое затем примет в синтезе полипептидов непосред­ственное участие. Избыточная РНК, природа и функции, которой не ясны, разрушается в ходе преобразования (процессинга) РНК перед транспортом ее из ядра в цитоплазму.

Считывание информации иРНК с переносом ее на белок (этап трансляции) происходит в цитоплазме. Центральная роль здесь принадлежит различным тРНК, которых в клетке имеется несколько десятков. Каждый образец тРНК способен присоединять определенную аминокислоту в активированном состоянии (обогащенную энергией). В результате активации аминокислоты и присоединения ее к тРНК образуется комплекс «аминоацил-тРНК». Благодаря наличию антикодона — последовательности из трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона данной аминокислоты — тРНК узнает место этой аминокислоты в полипептиде в соответствии с последовательностью кодонов иРНК. Так как перенос информации на белок осуществляется не с ДНК, а с иРНК, кодоны определенных аминокислот обозначают в соответствии с нуклеотидным составом РНК, Таким образом, именно тРНК считывает информацию с иРНК.

Сборка молекул полипептида происходит на рибосоме, которая обеспечивает требуемое расположение участников процесса трансляции: иРНК, комплексов «аминоацил-тРНК» и «тРНК-строящийся поли­пептид». Представление о функции рибосом дает рибосомный цикл синтеза белка.

Функционирующая рибосома состоит из большой и малой субъединиц и молекулы иРНК. В одном из двух ее активных учас­тков — пептидальном (I) происходит наращивание полипептида, а к другому — аминоацильному (II) прикрепляются тРНК с активиро­ванными аминокислотами. Комплекс «аминоацил-тРНК», прибывший первым, инициирует считывание и занимает участок I. В участке II фиксируется второй аналогичный комплекс, соответствующий пер­вому смысловому коду иРНК. После образования между амино­кислотами пептидной связи тРНК участка I высвобождается. На ее место в виде комплекса с двумя аминокислотными остатками перемещается тРНК, занимающая участок II. К участку II при-1 соединяется очередной комплекс «аминоацил-тРНК», отвечающий следующему смысловому кодону иРНК. Описанный цикл повторяется, пока не будет достигнут терминирующий кодон иРНК (УАА, УАГ или УГА), по отношению к которому тРНК не существует. На этой стадии рибосома распадается на субъединицы с высвобождением иРНК и полипептида.

Поток энергии

Поток энергии у представителей разных групп организмов представлен внутриклеточными механизмами энергообеспече­ния — брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокало­рийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот и использования выделяемой энергии для синтеза высококалорийного клеточного «топлива» в виде АТФ. АТФ и другие соединения, богатые энергией в биологически утилизируемой форме, называются макроэргическими. Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесенной на другие макроэргические соединения, например креатинфосфат, используемый в мышцах, в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание градиентов веществ), электрическую, механическую, регуляторную. Среди органелл такой клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, с внутренней мембраной которых связаны ферменты дыхательной цепи, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы — анаэроб­ный гликолиз. Из преобразователей энергии химических связей АТФ в работу наиболее изучена механохимическая система поперечнополоса­той мышцы. Она состоит из сократительных белков и фермента, расщепляющего макроэргические соединения с высвобождением энер­гии.

Особенностью потока энер­гии растительной клетки служит фотосинтез — механизм пре­образования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Механизмы энергообеспече­ния клетки высокоэффективны. Коэффициенты полезного дей­ствия хлоропласта достига­ют 25%, а митохондрии — 45— 60%, существенно превосходя аналогичный показатель паровой машины (8%) или двигателя внутреннего сгорания (17%).

Реакции дыхательного обме­на не только поставляют энер­гию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разно­образных молекул. Ими служат многие продукты расщепления пище­вых веществ. Особая роль в этом принадлежит центральному звену дыхательного обмена — циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов (углеродных скелетов) большинства соединений, служащих промежу­точными продуктами синтеза химических компонентов клетки, а также переключение метаболизма клетки с одного преобладающего пути на другой, например, с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Другие внутриклеточные механизмы

Потоки информации, энергии и вещества осуществляются непре­рывно и составляют необходимое условие существования клетки как живой системы.

Кроме структур и процессов, прямо включенных в названные потоки, в клетке функционируют механизмы, которые, хотя и могут быть названы дополнительными, так же являются жизненно необходи­мыми. Так, лизосомы, воздействуя ферментами на пиноцитированный или аутофагированный материал, обеспечивают гидролитическое расщепление макромолекул до низкомолекулярных соединений. Они же разрушают структуры, утратившие свое функциональное значение. Пероксисомы ликвидируют возникающие в клетке перекиси, токсичные для живой протоплазмы. Организация внутриклеточных транспортных потоков обусловливается активностью микротрубочек и микрофиб­рилл.