Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011
Молекулярная биология. Предмет и основные разделы курса
Биомакромолекулы
Молекулярная биология клетки рассматривает биологические процессы на молекулярном уровне - все "события" в клетке являются результатом взаимодействия индивидуальных молекул: синтез макромолекул из компонентов, объединение макромолекул в единый комплекс, каталитические эффекты, которые обеспечивают протекание конкретных химических реакций, считывание и использование информации, заключенной в макромолекулах.
Внутренность клеток заполнена густым водным "супом" малых молекул (простые сахара, аминокислоты, витамины и т. д.) и ионов (натрий, хлор, кальций и т. д.), положение и концентрация которых в данной точке клетки контролируется совместной работой большого числа белков, внедренных в клеточные мембраны. Эти белковые насосы, транспортёры и каналы перемещают нужные молекулы в нужном направлении и в нужные органеллы клетки.
Определенные малые молекулы (мономеры) могут быть соединены с образованием полимеров.
Наиболее важные из полимеров это полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты - их часто объединяют под общим названием биологические макромолекулы.
То, каким образом построен полимер из мономеров, обеспечивает важную функцию макромолекул - хранение и передачу информации.
Белки являются основными "агентами" клетки, осуществляющими большинство механических и химических преобразований в клетке. Они синтезируются в клетке из 20 аминокислот и состоят в среднем из 100—1000 аминокислот. После синтеза белковая цепь самопроизвольно сворачивается, приобретая определенную трехмерную структуру, которая и определяет функциональную специфичность данного белка. Разнообразие белковых структур безгранично. Модели некоторых из белковых молекул, а также ДНК и липидного бислоя плазматической мембраны, выполненные с сохранением пропорций, показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 - Модели некоторых биомолекул
Подобные белки представляют собой белковые семейства. Известно несколько сотен таких белковых семейств. Белки выполняют множественные функции в клетке. Они являются структурными компонентами внутри- и внеклеточного матрикса, сенсорами и переносчиками химических сигналов, катализаторами биохимических реакций (ферменты), управляют экспрессией генов (белковые репрессоры и активаторы), работают "насосами" перемещая другие молекулы и ионы.
Построенные всего из 20 аминокислот белки реализуют всё разнообразие всех биофункций всех биоструктур. Средний белок состоит из 400 аминокислот, поэтому в принципе возможно 20400 различных белковых структур.
Наглядной является оценка количества белков, которые использует одна клетка для обеспечения своей жизнедеятельности. Возьмем, к примеру, клетку печени гепатоцит, объемом 3,4х10-9см3, и плотностью 1,03 г/см3, откуда вес клетки равен 3,5х10-9 г. Поскольку белки составляют приблизительно 20% веса клетки, общая масса белков гепатоцита составляет 7х10-10г. Средний белок дрожжей имеет молекулярный вес 52 700 г/моль. Отсюда среднее число белков в гепатоците порядка 7,9х109 (Na=6,02x1023). Клетка гепатоцита состоит из порядка 10 000 различных белков, поэтому клетка содержит в среднем приблизительно по 1 миллиону молекул белка каждого вида. Конечно же, это очень грубая и приблизительная оценка, поскольку число белков колеблется от достаточно редких инсулин-связывающих рецепторов (20 000 молекул) до многочисленных молекул структурного белка актина (5x108 молекул).
Нуклеиновые кислоты представляют собой второй обширный класс биомакромолекул. Дезоксирибонуклеиновая кислота несет в себе информацию о том, как, где и когда синтезировать тот или иной белок. Трехмерная структура ДНК представляет собой двойную спираль, цепи которой состоят из мономеров - нуклеотидов.
Четыре различных нуклеотида аденин, тимин, цитозин и гуанин, комплементарно спариваясь парами А-Т, С-G, формируют двойную спираль (рисунок 5). В ходе репликации спираль расплетается на две нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи, в результате образуется две копии исходной родительской спирали.
Рисунок 5 - Схема репликации ДНК
Генетическая информация о структуре белков хранится в ДНК в виде генов - последовательности нуклеотидов, кодирующих нужный белок или РНК, длиной, обычно, от 5000 до 100 000 нуклеотидов. Геном (совокупность всех генов) бактерий - несколько тысяч генов, геном человека - около 40 000 генов. Гены, наряду с кодирующей областью, содержат управляющие участки, воздействуя на которые клетка может управлять экспрессией генов.
Клетки используют последовательность двух процессов - транскрипцию и трансляцию - для превращения генной информации в синтезированные белки (рисунок 6).
Рисунок 6 - Схема генетических механизмов синтеза белков в клетке эукариот
В ходе транскрипции копирование гена в РНК (про-РНК) осуществляет фермент РНК-полимераза. В клетках эукариот эта РНК преобразуется в функциональную матричную РНК (мРНК) в ходе процессинга РНК, при котором из про-РНК удаляются некодирующие участки (интроны), а кодирующие (экзоны) соединяются вместе.
мРНК перемещается из ядра в цитоплазму, соединяется с малой и большой субъединицами рибосомы и начинается трансляция - синтез полипептидной цепи белка.
Регуляция процесса синтеза белков осуществляется с помощью факторов транскрипции - специфических белков, связывающихся с ДНК и стимулирующих активацию или репрессию экспрессии генов.
Большая часть ДНК эукариот расположена в ядре и упакована в хромосомы.
ДНК прокариот обычно представляет собой замкнутую в кольцо молекулу беспорядочно свернутую в нуклеоид в центральной части клетки.