Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011
Молекулярная биология. Предмет и основные разделы курса
Исследование клеток и их частей
Мир биологии различается в размерах более чем в миллиард раз (рисунок 12). К этой шкале размеров биологических объектов примыкают экология и экогеография с "макро" стороны, и химия и физика с "микро" стороны. Для наблюдения объектов размером менее 0,1 мм необходимо использовать специальные приборы, увеличивающие изображение. Реальное наблюдение клеток стало возможным только после изобретения микроскопа в 17 веке.
Микроскопия наиболее эффективна, когда применяются специальные красители и люминофоры для контрастного окрашивания разных тканей или разных компонентов клетки (которые в большинстве своем бесцветны).
Рисунок 12 - Диапазон размеров биологических объектов: а - ДНК; б - зародыш человека на третий день после оплодотворения (восемь клеток); в - паук размером 15 мм; г - императорские пингвины ростом около метра
Так, например, использование флуоресцентных меток, присоединенных к белку тубулину, полимеризация которого формирует микротрубочки, позволило наблюдать процесс митоза, при котором эти микротрубочки, присоединенные одними концами к центриолям, а другими - к хромосомам, растягивают хромосомы из экваториальной части делящейся клетки к её полюсам.
На рисунке 13 представлена микрофотография делящейся клетки, на которой видна система микротрубочек (ниточки серого цвета, на цветной микрофотографии они окрашены в красный цвет), образующих "меридианы", vi хромосомы (черные) вблизи "полюсов".
Рисунок 13 - Микрофотография поздней стадии митоза
Использование электронного микроскопа позволило изучить строение большинства клеточных органелл и крупных белковых комплексов.
Для исследования отдельных белковых молекул необходимо использовать методики физико-химической очистки и накопления ("обогащения") данного белка фракционированием и разными видами хроматографии.
Трехмерную структуру макромолекул (их конформацию) определяют методами рентгеновской кристаллографии. Компьютерный анализ полученных рентгенограмм позволяет определить пространственное расположение каждого атома в макромолекуле.
Таким образом, современный уровень знаний о молекулярном функционировании клеток был достигнут благодаря коллективному труду многих поколений исследователей, изучавших все типы биологических объектов от вирусов и бактерий до птиц, животных и человека. Исторически сложилось, что эксперименты над определенными организмами были более удобны в том смысле, что получаемые ответы на вопросы, которые решали экспериментаторы, были более наглядны, однозначны и непротиворечивы именно при работе с данным типом организмов. При этом из-за достаточно высокой при эволюционировании видов консервативности генов, белков, органелл, типов клеток и т. д. результаты и данные о биологических структурах и функциях, полученные в экспериментах над одним организмом, обычно могут быть применены и к другим организмам.
На рисунке 14 представлены типичные биологические объекты, эксперименты над которыми дали наибольший вклад в клеточную и молекулярную биологию.
Рисунок 14 - Модельные организмы, используемые в клеточной биологии: а - вирусы; б - бактерии; в - дрожжи; г - нематоды; д - фруктовая мушка дрозофила; е - рыбы (zebrafish); ж - мыши; з - растения
Ниже перечислены те проблемы, в решении которых используются эти модельные организмы.
Вирусы. Белки, вовлеченные в синтез ДНК, РНК и белков. Регуляция генной экспрессии. Рак и контроль размножения клеток. Транспорт белков и органелл внутри клетки. Заражение и иммунитет. Генная терапия.
Бактерии. Белки, вовлеченные в ДНК и РНК синтез белков. Метаболизм. Регуляция генной экспрессии. Цели для новых антибиотиков. Клеточный цикл. Сигнальные системы.
Дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Контроль клеточного цикла и клеточного деления. Секреция белков и биогенез мембран. Функции цитоскелета. Дифференциация клеток. Старение. Генная регуляция и структура хромосом.
Круглые черви нематоды. (Организм нематоды Caenorhabditis elegans состоит всего из 959 клеток). Развитие организма. Поколения клеток. Формирование и функции нервной системы. Программирование клеточной смерти. Размножение клеток и раковые гены. Старение. Поведение. Генная регуляция и структура хромосом.
Плодовая мушка (Drosophila melanogaster). Развитие организма. Генерация дифференцирующихся поколений клеток. Формирование нервной системы, сердца и мускулатуры. Программируемая клеточная смерть. Генетический контроль поведения. Раковые гены и контроль размножения клеток. Контроль клеточной поляризации. Влияние лекарств, алкоголя, пестицидов.
Данію рерио. (Danio rerio, в англоязычной литературе часто упоминается под названием zebrafish). Популярная аквариумная рыбка, эмбрион которой прозрачен и проходит стадии от яйца до личинки за три дня. Развитие тканей тела позвоночных. Формирование и функции мозга и нервной системы. Дефекты при рождении. Рак.
Мыши (быстро размножающиеся млекопитающие). Развитие тканей тела. Функционирование иммунной системы млекопитающих. Формирование и функции мозга и нервной системы. Модели рака и других болезней человека. Регуляция генов и наследственность. Инфекционные заболевания.
Растения (Arabidopsis thaliana). Развитие и изменение тканей. Генетика клеточной биологии. Сельскохозяйственные приложения. Физиология. Генная регуляция. Иммунитет. Инфекционные заболевания.