Смысл цвета текста:
Цитаты из
чужого текста
Наиболее важные
выводы
Проблемы и
гипотезы
/* Комментарии
*/
Гиперссылки
Система управления живой клетки
Живая клетка является автоматом
согласно определению этого термина
В случае живой клетки программа работы отдельных
устройств (ферментов, сенсоров, моторов и др.) задаётся их конструкцией, а
работа всего агрегата в целом – системой программных контроллеров.
Живая клетка – автомат, работающий
под программным управлением
Все системы живой клетки – энергетическое
оборудование, ферментные поточные линии, транспортные линии для доставки в
нужное место молекул субстратов, мобильных аккумуляторов и продуктов – работают
в строго синхронном режиме, а их конструкции взаимосогласованы друг с другом и,
следовательно, построены по единому
плану.
В процессе построения живой клетки каждая
составляющая её оборудование молекула должна появиться в отведенном ей месте в соответствии с чётко определённым временным
графиком.
Жизненный
цикл клетки проходит в постоянно
меняющихся внешних условиях, к которым клетка вынуждена приспосабливаться.
Необходимую
информацию о состоянии окружающей среды клетка получает от системы датчиков (сенсоров).
Работу программного контроллера
определяет алгоритм управления
Программный
контроллер принимает решения о дальнейших действиях в соответствии с алгоритмом управления (АУ).
АУ
представляет собой последовательность инструкций
для исполнительных механизмов.
В
настоящее время наиболее исследовано управление процессом построения белков – основных частей оборудования клетки.
Инструкции по построению единиц
оборудования клетки
Запись
инструкции по построению новых ферментов, фотосистем, рибосом и других единиц клеточного оборудования должна
иметь следующие обязательные поля:
- поле адреса, содержащее координаты подлежащей построению единицы в некоторой системе
отсчёта;
- поле структуры, содержащее список всех деталей (аминокислот, нуклеотидов, ионов металлов и
т.д.) и описание их взаимного
расположения.
/* Ферменты,
как правило, имеют кофакторы, роль
которых могут играть ионы металлов, нуклеотиды и др.
Энергетическое
оборудование составляет единое целое с тилакоидной мембраной или внутренней
мембраной митохондрий и включает в себя, помимо белков, пигменты, липиды и др.
соединения */
Порядок выполнения инструкций не
может быть неизменным
Управляющий
сигнал, вырабатываемый после опроса датчиков, зависит от прочитанных показаний
датчиков.
/* В точках
бифуркации проверяется удовлетворение некоторого условия, причём результаты
проверки определяют порядок дальнейших операций:
if{проверка выполнения условия А}
then{операции, осуществляемые, если условие
А удовлетворяется};
else{операции, осуществляемые, если условие
А не удовлетворяется}*/
Программный контроллер должен включать в
себя ряд обязательных элементов:
Может ли программный контроллер клетки
обойтись без такого элемента, как дирижёр?
Вероятно, существует также дирижёр, т.е. устройство, которое:
Есть
достаточно много соображений в пользу необходимости дирижёра, но пока не
известен ни один кандидат на эту важную должность.
Носители информации в контроллерах
клетки
Эукариоты
В
случае эукариотных клеток АУ существенно разнится не только для клеток разных тканей,
но и для различных органелл одной и той же клетки (АУ хлоропластов существенно
отличается от АУ митохондрий).
Известны,
по крайней мере, три места расположения кольцевых ДНК, а, значит, и программных
контроллеров в эукариотной клетке:
/*
Эукариотная клетка может иметь от нескольких сотен до нескольких тысяч
митохондрий, а каждая митохондрия 5-10 кольцевых ДНК и связанных с ними
контроллеров.*/
Судя
по всему, контроллеры митохондрий и хлоропластов играют подчинённую роль по
отношению к контроллерам, находящимся в ядре, и управляют только частью
процессов. Большая же часть процессов строительства оборудования происходит в
эндоплазматическом ретикулюме и аппаратах Гольджи под управлением ядерных
контроллеров.
Прокариоты
Для
прокариотных клеток АУ , по крайней мере, в основной своей части идентичен для
всех особей данного вида и передаётся по
наследству от предков к потомкам.
Носителем
информации, передаваемой по наследству, может быть только содержащаяся в клетке
ДНК.
Как
следует из описанных далее особенностей считывающего устройства, носителем
информации в контроллерах, возможно, является только кольцевая
ДНК.
Из
всех кольцевых ДНК, имеющихся в прокариотной клетке, наибольший размер имеет прокариотная хромосома, являющаяся, скорее всего,
носителем информации в блоке памяти главного
контроллера.
Бактерии
обычно имеют также дополнительные кольцевые ДНК в виде плазмид, являющиеся, вероятно,
носителями информации для вспомогательных
контроллеров, управляющих построением и работой части механизмов клетки.
Считывающие механизмы
Считывание
информации, записанной в ДНК, производится механизмом, который называется РНК-полимераза.
Процесс
считывания, т.н. транскрипция,
заключается в построении нити РНК, играющей роль промежуточного носителя
информации.
Формируемая
нить комплементарна одной из двух нитей считываемого участка ДНК (т.н.
называемой смысловой нити).
Наиболее
изученная бактериальная РНК-полимераза представляет собой крупный
макромолекулярный комплекс кор-фермент
(core enzyme), включающий 5 белковых субъединиц.
/*
Кор-фермент представлят собой настолько громоздкое образование, что активное
его перемещение внутри клетки практически исключено. Пассивное
перемещение также невозможно по другим причинам. Таким образом, в процессе
транскрипции происходит протягивание
определённого участка кольцевой ДНК через кор-фермент.
В
целом, кольцевая ДНК аналогична ленте магнитофона, а кор-фермент – считывающей
головке */
Процесс
транскрипции разделяется на три этапа – инициация,
элонгация и терминация.
Файл требует завершения. Предполагается
описать считывающие механизмы и декодеры
Дата последнего обновления: 04.03.08
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1.
Инициация.
Прокариоты
Эукариоты
2.
Элонгация.
3.
Терминация.
... Транскрипция
– синтез РНК на ДНК, то есть синтез комплементарной нити РНК на молекуле
ДНК осуществляется ферментом
РНК-полимеразой. У бактерий,
например, кишечной палочки – одна
РНК-полимераза, и все бактериальные ферменты очень похожи друг на друга; у высших организмов (эукариотов) –
несколько ферментов, они называются РНК-полимераза
I,
РНК-полимераза II, РНК-полимераза III, они также имеют
сходство с бактериальными ферментами, но устроены сложнее, в их состав входит
больше белков. Каждый вид эукариотической РНК-полимеразы обладает своими
специальными функциями, то есть транскрибирует определенный набор генов.
Нить ДНК, которая служит матрицей
для синтеза РНК при транскрипции называется смысловой или матричной. Вторая нить ДНК называется некодирующей
(комплементарная ей РНК не кодирует белки, она "бессмысленная").
В процессе транскрипции можно
выделить три этапа. Первый этап - инициация транскрипции – начало
синтеза нити РНК, образуется первая связь между нуклеотидами. Затем идет
наращивание нити, ее удлинение – элонгация, и, когда синтез завершен,
происходит терминация, освобождение синтезированной РНК. РНК-полимераза
при этом «слезает» с ДНК и готова к новому циклу транскрипции.
Бактериальная РНК-полимераза изучена очень подробно. Она состоит из
нескольких белковых-субъединиц: двух α-субъединиц (это маленькие субъединицы), β- и β΄-субъединиц
(большие субъединицы) и ω-субъединицы.
Вместе они образуют так называемый минимальный фермент, или кор-фермент.
К этому кор-ферменту может присоединяться σ-субъединица. σ-субъединица необходима
для начала синтеза РНК, для инициации транскрипции. После того, как инициация
осуществилась, σ-субъединица
отсоединяется от комплекса, и дальнейшую работу (элонгацию цепи) ведет
кор-фермент. При присоединении к ДНК σ-субъединица распознает участок, на котором
должна начинаться транскрипция. Он называется промотор. Промотор - это последовательность нуклеотидов,
указывающих на начало синтеза РНК. Без σ-субъединицы кор-фермент промотор
распознать не может. σ-субъединица вместе с кор-ферментом называется
полным ферментом, или холоферментом.
Связавшись с ДНК, а именно с промотором, который распознала σ-субъединица,
холофермент расплетает двунитевую спираль и начинает синтез РНК. Участок
расплетенной ДНК – это точка инициации транскрипции, первый нуклеотид, к
которому должен комплементарно быть присоединен рибонуклеотид. Инициируется транскрипция, σ-субъединица уходит, а кор-фермент
продолжает элонгацию цепи РНК. Затем
происходит терминация, кор-фермент освобождается и становится готов к новому
циклу синтеза.
Как происходит элонгация транскрипции?
РНК наращивается на 3΄-конце. Присоединением каждого нуклеотида
кор-фермент делает шаг по ДНК и сдвигается на один нуклеотид. Так как
все в мире относительно, то можно сказать, что кор-фермент неподвижен, а сквозь
него «протаскивается» ДНК. Понятно, что результат будет таким же. Но мы будем
говорить о движении по молекуле ДНК. Размер белкового комплекса, составляющего
кор-фермент, 150 Ǻ. Размеры РНК-полимеразы - 150×115×110Ǻ.
То есть это такая наномашина. Скорость
работы РНК-полимеразы – до 50 нуклеотидов в секунду. Комплекс кор-фермента
с ДНК и РНК называется элонгационным комплексом. В нем находится по себе он с
ДНК не «свалится». Он способен перемещаться по ДНК со скоростью до 50
нуклеотидов в секунду. Этот процесс называется перемещение ДНК-РНК гибрид.
... Элонгационный комплекс довольно стабилен, т.к. он должен выполнить
большую работу. То есть, сам (или, транслокация). Взаимодействие ДНК с
РНК-полимеразой (кор-ферментом) не зависит от последовательности этой ДНК, в
отличие от σ-субъединицы.
И кор-фермент при прохождении
определенных сигналов терминации завершает синтез ДНК.
РНК-полимераза работает как молекулярная машина, и в ней есть различные
детали, каждая из которых выполняет свою функцию. Например, нависающая над
"пастью" часть β΄-
субъединицы удерживает передний ДНК-дуплекс. Эта часть называется
"заслонкой". После связывания с ДНК заслонка опускается, проходя путь
в 30 ангстрем, и зажимает ДНК так, чтобы она не могла выпасть в процессе
транскрипции.
Внутри "пасти"
находится активный центр РНК-полимеразы, то есть то место, где непосредственно
происходит комплементарное взаимодействие поступившего по боковому каналу рибонуклеоиздтрифосфата
с ДНК-матрицей. Если вновь прибывший нуклеотид комплементарен матрице, то
он ферментативно пришивается к свободному 3' –концу РНК. По характеру реакция
образования новой связи в РНК относится к реакциям нуклеофильного замещения. В
ней участвуют два иона магния. Один ион постоянно находится в активном центре,
а второй ион магния поступает с нуклеотидом и после образования новой связи
между рибонуклеотидами уходит, затем поступает новый нуклеотид со своим новым
ионом магния.
При выходе из РНК-полимеразы ДНК-РНК гибрид должен быть расплетен. В
этом участвует структура, называемая "шип".
В транслокации, то есть перемещении РНК-полимеразы по нити ДНК,
участвует α-спиральная
структура, снизу вверх торчащая из β-субъединицы.
.... Сейчас остановимся на инициации
транскрипции. Как уже говорилось, инициация осуществляется с участием σ-субъединицей. Она
взаимодействует со структурой ДНК, которая называется промотор. Она имеет у
кишечной палочки такую структуру. За десять нуклеотидов до точки инициации
находится ТАТА-бокс. Не обязательно стоит именно такая последовательность, но
она является "идеальной" последовательностью для взаимодействия с σ-субъединицей, то
есть такой, с которой транскрипция инициируется наиболее эффективно. Замена отдельных
нуклеотидов в этой последовательности снижает эффективность инициации
транскрипции. Еще примерно за 35 нуклеотидов до него находится структура,
называемая «-35». Эту последовательность также распознает σ-субъединица. Эту
структуру (сочетание последовательностей "–10" и "–35")
назвали классическим промотором, т.к. она была описана первой. Но оказалось,
что устройство промотора может быть и другим. Этот вариант включает в себя тот
же ТАТА-бокс, но нет последовательности «-35», однако есть дополнительно два
нуклеотида, и этого достаточно, чтобы σ-субъединица распознала промотор.
Эта структура называется расширенным
промотором. σ-субъединица РНК-полимеразы садится на промотор
в ДНК и разными частями белковой молекулы взаимодействует с частями промотора.
Распознает его σ-субъединица
через большую бороздку ДНК. После того, как σ-субъединица в составе кор-фермента связалась с
промотором, ДНК на этом участке начинает плавиться (расплетаются нити ДНК). На
прошлой лекции обсуждалось, что в паре А-Т связи между нуклеотидами разрываются
легче, чем в паре Г-Ц, так как последняя содержит 3 водородных связи, а первая
– две. Промотор содержит пары А-Т, поэтому плавится он достаточно легко. И
затем начинается синтез РНК, растущая цепь РНК выталкивает σ-субъединицу и
происходят еще другие изменения, которые вызывают диссоциацию σ-субъединицы от
кор-фермента.
Декодеры
Вся
генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму
ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы.
Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т. е. почти в
1000 раз превышать длину бактериальной клетки. ...
В прокариотной клетке ДНК может находиться и
вне бактериальной хромосомы — в плазмидах, но последние не являются
обязательными клеточными компонентами.
Деление
молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму и в норме
всегда предшествует делению клетки.
Модель строения бактериальной хромосомы должна объяснять также
прохождение в клетке процессов транскрипции и трансляции. Согласно существующим
представлениям суперспирализованные петли соответствуют неактивным в данное
время участкам ДНК и находятся в центре нуклеоида. По его периферии
располагаются деспирализованные участки, на которых происходит синтез
информационной РНК (иРНК), при этом, поскольку у бактерий процессы транскрипции
и трансляции идут одновременно, одна и та же молекула иРНК может быть
одновременно связана с ДНК и рибосомами.
.......................................................
Регулирование транскрипции
Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал
проясняться с 50-х гг. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно.
Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов,
в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены. Один из них —
ген-регулятор (ген R), функция
которого заключается в регуляции процесса транскрипции структурного гена (или
генов). Ген-регулятор кодирует синтез специфического аллостерического
белка-репрессора, имеющего два центра связывания: один узнает определенную
последовательность нуклеотидов на участке ДНК, называемом оператором (ген О),
другой — взаимодействует с эффектором. Ген-оператор расположен рядом со
структурным геном (генами) и служит местом связывания репрессора. В отличие от
операторных генов гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от
структурных генов (продукты регулярных генов — репрессоры являются свободно
диффундирующими белковыми молекулами).
Часто структурные гены, относящиеся к одному биохимическому пути,
объединены в группу, составляющую вместе с оператором единицу транскрипции и
регуляции — оперон. Все структурные гены, объединенные в оперон, имеют один
операторный участок, локализованной на краю оперона, и координирование
регулируются одним репрессором. Оперон представляет собой весьма рациональную и
эффективную систему регуляции метаболического пути.
Ауторегуляторы
Прокариоты
синтезируют вещества, регулирующие не внутриклеточный метаболизм, а
межклеточные взаимодействия. Особенностями этих веществ, называемых
ауторегуляторами, являются выделение их в окружающую среду, проявление
биологической активности в очень низкой концентрации (10–9 — 10–12
M) и воздействие не
на организмы иного вида, а на другие особи (клетки) того же вида. Эти вещества
выделяются клетками прокариот в обычных условиях культивирования и обнаруживают
строгую видо- или родоспецифичность.
Таким образом,
прокариотные организмы синтезируют химические вещества-сигналы, регулирующие
различные процессы, связанные с межклеточными взаимодействиями в популяции
одного вида или даже штамма. Место действия ауторегуляторов — клеточные
ферменты. Примечательно, что большинство изученных регуляторов — вещества
липидной природы. Это позволяет им легко диффундировать через клеточные
мембраны без помощи специальных транспортных систем. Феромоны S. faecalis — пептиды,
содержащие 8 аминокислотных остатков, единственная гидрофильная аминокислота,
входящая в состав этих пептидов, — серин.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
Плазмиды
не всегда передаются по наследству, а могут быть также получены от других
бактерий с помощью специального механизма
update
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////