Центральная догма молекулярной биологии

Строение клеточного ядра

Фракционирование клеток.В настоящее время фракционирование позволяет получать практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра, ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли эндоплазматического ретикулума, и т.д.

Специальные методы

Перед получением клеточных фракций клетки разрушают путем гомогенизации. Затем из гомогенатов выделяют фракции. Основным способом выделения клеточных структур является разделительное центрифугирование. Оно основано на том, что более тяжелые частицы быстрее оседают на дно центрифужной пробирки.

При небольших ускорениях (1-3 тыс. g) раньше оседают ядра и неразрушенные клетки, при 15-30 тыс. g оседают более крупные частицы или маакросомы, состоящие из митохондрий, мелких пластид, пероксисом, лизосом и др., при 50 тыс. g оседают микросомы, фрагменты вакуолярной системы клетки. При повторном центрифугировании смешанных подфракций выделяют чистые фракции. Для более тонкого разделения фракций используют центрифугирование в градиенте плотности сахарозы. Получение отдельных клеточных компонентов позволяет изучать их биохимию и функциональные особенности, создавать бесклеточные системы, например, для рибосом, которые могут синтезировать белок по заданной экспериментатором информационной РНК, или для воссоздания клеточных надмолекулярных структур. Такие искусственные системы помогают изучать тонкие процессы, протекающие в клетке.

Метод клеточной инженерии. После специальной обработки различные живые клетки могут сливаться друг с другом и образовывать двуядерную клетку или гетерокарион. Гетерокарионы, особенно образованные из близкородственных клеток (например, мыши и хомячки), могут вступать в митоз и давать истинно гибридные клетки. Другие приемы позволяют конструировать клетки из разных по происхождению ядер и цитоплазмы.

В настоящее время клеточная инженерия широко применяются не только в экспериментальной биологии, но и в биотехнологии. Например, при получении моноклональных антител.

Клетка обладает огромным числом разнообразных функцй, главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят с участием белков-ферментов. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинаются с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки – это основные компоненты практически всех клеточных структур. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи обуславливается структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Это положение является основным постулатом молекулярной биологии или её «догмой». Кроме того центральная догма подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку (ДНК ® иРНК ® белок) и отрицает обратные пути - от белка к нуклеиновой кислоте.

На основании современных знаний биосинтез белков представляет собой следующую принципиальную схему.

Главная роль в определении специфической структуры белков принадлежит ДНК. Молекула ДНК, состоящая из двух взаимозакрученных полимерных цепей, представляет собой линейную структуру, мономерами, которой являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. За синтез каждого белка ответствен определенный участок молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК, в котором заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка. назвали цистроном. В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген.

Известно, что, в отличие от остальных компонентов белоксинтезирующего аппарата, местом нахождения в клетках ДНК эукариотических организмов является клеточное ядро. У низших (прокариотических) организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отделена от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидов.

В основе макромолекулярной структуры ДНК лежит так называемый принцип комплементарности. Он означает, что противолежащие нуклеотиды двух взаимозакрученных цепей ДНК своей пространственной структурой дополняют друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. В каждой «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.

Необходимо подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК и открытие этого является одним из главных достижений биологии.

Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального фермента, носящего название ДНК-полимеразы. Именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу.

Следовательно, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Благодаря этому информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься теоретически неограниченное количество «копий» – молекул РНК. Молекулы РНК входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают непосредственное участие в синтезе белковых молекул. Иными словами, они переносят информацию от мест её хранения в места её реализации. Вот почему эти РНК обозначают как информационные или матричные РНК, сокращенно мРНК или иРНК.

Синтезирующаяся цепь информационной РНК в качестве матрицы прямо использует соответствующий участок ДНК. При этом синтезируемая цепь мРНК точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Всё происходит на основе того же принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК. В итоге происходит «переписывание» или транскрипция информации с ДНК на РНК. «Переписанные» сочетания нуклеотидов РНК уже непосредственно определяют расстановку кодируемых ими аминокислот в цепи белка.

Теперь как создается белок? Известно, что рода мономерами белковой молекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют свои специфические, присоединяющие только этот сорт аминокислоты молекулы адапторных РНК. В навещенном на РНК виде, аминокислоты поступают в белоксинтезирующие частицы - рибосомы и уже там под диктовку информационной РНК расставляются в цепочку синтезируемого белка.

Главным в биосинтезе белка является слияние в рибосомах двух внутриклеточных потоков – потока информации и потока материала. Рибосомы - это биохимические «машины» молекулярных размеров, в которых из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Каждая клетка сдержит тысячи рибсом, по их количеству в клетке определяют интенсивность белкового синтеза. По своей химической природе рибосома относится к рибонуклеопротеидам и состоит из особой рибосомной РНК и молекул рибосомного белка. Рибосомы обладают свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы. Сущность процесса заключается в том, что линейная расстановка 20 сортов аминокислот в цепи белка определяется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи совсем иного полимера – нуклеиновой кислоты (мРНК). Поэтому этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод» - перевод с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. В данном процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомная РНК, играющая роль организатора рибосомы, и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.

Процесс синтеза белка начинается с образования соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК. При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем «активированная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.

Следует добавить, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот существуют свои ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты