Основы молекулярной биологии клетки - Альбертс Б.

Книга "Основы молекулярной биологии клетки"

Автор: Альбертс Б.

ISBN 978-5-00101-087-6

Многим поколениям биологов знаком пятитомник Альбертса «Молекулярная биология клетки», на русском языке впервые выпущенный в 1987 г. С тех пор вышло несколько его изданий, каждое из которых вмещало самые последние достижения молекулярной биологии. Не в последнюю очередь именно увеличивающимся объемом книги обусловлено решение авторов написать ее сокращенный вариант.

В полностью переработанном и расширенном пятом оригинальном (англоязычном) издании «Основ молекулярной биологии клетки» поддержана традиция очень ясного и логичного изложения материала в виде красочных, понятных схем и интересных иллюстраций с подробными подписями к ним.

Книга адресована студентам младших курсов биологических и медицинских специальностей, школьным учителям и преподавателям вузов при подготовке лекций и семинаров, а также всем интересующимся предметом и изучающим его на профильном уровне.

Текст книги отличается четким живым написанием и исключительными иллюстрациями, что делает его идеальным учебником для студентов вводного курса как клеточной, так и молекулярной биологии.

Содержание книги "Основы молекулярной биологии клетки" - Альбертс Б.

Клетки: основные единицы жизни

Единство и разнообразие клеток

Клетки значительно различаются по внешнему виду и функциям

Все живые клетки имеют одинаковый химический состав

Живые клетки — это самовоспроизводящиеся комплексы катализаторов

Все живые клетки произошли от одной клеткипрародителя

Гены определяют форму, функции и поведение клеток и организмов

Клетки под микроскопом

Изобретение светового микроскопа привело к открытию клеток

Световые микроскопы позволяют обнаружить некоторые компоненты клетки

Самые мелкие элементы клетки выявляются с помощью электронной микроскопии

Клетка прокариот

Прокариоты — самые разнообразные и многочисленные клетки на Земле

Все прокариоты разделены на два домена: бактерии и археи

Клетка эукариот

Ядро — хранилище информации в клетке

Митохондрии получают полезную энергию из молекул пищи

Хлоропласты улавливают энергию солнечного света

Внутренние мембраны разделяют внутриклеточные компартменты с различными функциями

Цитозоль — концентрированный водный гель, состоящий из больших и малых молекул

Цитоскелет отвечает за направленное перемещение клеток

Цитозоль находится в непрерывном движении

Первые клетки эукариот могли быть хищными

Модельные организмы

Молекулярные биологи сосредоточились на кишечной палочке

Пивные дрожжи — простейшие из эукариот

Arabidopsis используют в качестве модельного растения

В качестве модельных животных используют также мух, червей, рыб и мышей

Биологи изучают также самих людей и их клетки

Сравнение последовательностей генома раскрывает происхождение всей жизни

В геномах содержатся не только гены

Основные положения

Вопросы в конце главы

Предисловие

Благодарности

Об авторах

Краткое оглавление и особые разделы

Химические компоненты клеток

Химические связи

Клетки состоят из небольшого количества различных типов атомов

От внешних электронов зависят межатомные взаимодействия

Ковалентные связи образуются в результате обмена электронами

Некоторые ковалентные связи образованы более чем двумя электронами

Обмен электронами в ковалентных связях часто неравнозначен

Ковалентные связи достаточно сильны, чтобы сохраняться внутри клеток

Ионные связи образуются в результате получения и потери электронов

Водородные связи — важные нековалентные связи, объединяющие многие

биологические молекулы

Четыре типа слабых взаимодействий участвуют в соединении молекул в клетках

Некоторые полярные молекулы в водной среде образуют кислоты и основания

Малые молекулы клеток

Клетка образована из углеродных соединений

Клетки содержат четыре основных семейства малых органических молекул

Углеводы — источники энергии и субъединицы полисахаридов

Цепи жирных кислот являются компонентами клеточных мембран

Аминокислоты — субъединицы белков

Нуклеотиды — субъединицы ДНК и РНК

Макромолекулы в клетках

Каждая макромолекула состоит из определенной последовательности субъединиц

Нековалентные связи определяют форму макромолекулы

Нековалентные связи соединяют макромолекулы с другими молекулами

Основные положения

В опросы в конце главы

Энергия, катализ и биосинтез

Использование энергии клетками

Биологический порядок возникает благодаря высвобождению клетками тепловой энергии

Клетки могут преобразовывать энергию из одной формы в другую

Фотосинтезирующие организмы используют солнечный свет для синтеза органических молекул

Клетки получают энергию в результате окисления органических молекул

Окисление и восстановление связаны с переносом электронов

Свободная энергия и катализ

Химические реакции идут со снижением уровня свободной энергии

Ферменты снижают уровень энергии для протекания спонтанных реакций

Изменение свободной энергии реакции определяет вероятность ее осуществления

Дельта G меняется при достижении равновесия реакции

Стандартное изменение свободной энергии дельта G позволяет сравнивать энергетический потенциал различных реакций

Константа равновесия прямо пропорциональна дельта G

В сложных реакциях константа равновесия включает концентрации всех субстратов и продуктов

Константа равновесия отражает силу нековалентных взаимодействий

Свободная энергия дополняет каждую последовательную реакцию в цепочке

Катализируемые ферментами реакции зависят от быстрых столкновений молекул

Ферменты связывают конкретные молекулы с помощью нековалентных взаимодействий

Активированные переносчики и биосинтез

Образование активированного переносчика связано с энергетически выгодной реакцией

В качестве активированного переносчика клетка чаще использует АТФ

Энергия АТФ нередко расходуется для объединения двух молекул

НАДН и НАДФН — активированные переносчики электронов

У НАДФН и НАДН в клетке разные роли

В клетках существует много других активированных переносчиков

Синтез биологических полимеров требует затрат энергии

Основные положения

Вопросы в конце главы

Структура и функции белков

Форма и структура белков

Форму белка определяет его аминокислотная последовательность

Белки складываются в обладающую наименьшей энергией форму

Белки бывают самых разных сложных форм

Самые часто образуемые структуры при сворачивании белка — альфа-спираль и бета-лист

Биологические структуры легко формируют спирали

бета-Листы формируют жесткие структуры в ядре многих белков

Неправильное сворачивание белка может образовать вызывающие заболевание амилоидные структуры

У белков несколько уровней организации

В белках присутствуют неструктурированные области

Только незначительная часть из всех возможных вариантов полипептидных цепей функциональна

Белки можно разделить на семейства

В больших белковых молекулах часто содержится несколько полипептидных цепей

Белки могут объединяться вместе в виде нитей, листов или сфер

Некоторые типы белков имеют форму длинных нитей

Внеклеточные белки могут стабилизироваться между собой ковалентными связями

Как работают белки

Все белки связываются с другими молекулами

У человека синтезируются миллиарды разных антител с разными сайтами связывания

Ферменты — эффективные и высокоспецифичные катализаторы

Ферменты значительно ускоряют скорость химических реакций

Принцип работы ферментов на примере лизоцима

Проектирование

Многие лекарства ингибируют ферменты

Плотно связанные с белками маленькие молекулы добавляют им дополнительные функции

Как регулируется активность белков

Каталитическую активность ферментов часто регулируют другие молекулы

В аллостерических ферментах есть не менее двух влияющих друг на друга сайтов связывания

Фосфорилирование контролирует активность белка за счет изменения конформации

Ковалентные изменения контролируют расположение и взаимодействие белков

Регуляторные ГТФ-связывающие белки включаются и выключаются за счет

добавления и потери фосфатной группы

Гидролиз АТФ позволяет моторным белкам осуществлять внутриклеточные перемещения

Белки часто образуют большие комплексы, функционирующие как машины

Многие взаимодействующие белки собираются вместе вокруг специальных каркасов

Слабые взаимодействия между макромолекулами могут образовывать в клетках большие биохимические субкомпартменты

Как изучают белки

Белки можно выделить из клеток или тканей

Определение структуры всего белка начинается с определения его аминокислотной последовательности

Методы генной инженерии позволяют производить, проектировать и анализировать практически любой белок в больших масштабах

Семейные связи белков помогают прогнозировать их структуру и функции

Основные положения

В опросы в конце главы

ДНК и хромосомы

Структура ДНК

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей нуклеотидов

Структура ДНК обеспечивает реализацию наследственной информации

Строение хромосом организмов эукариот

ДНК эукариот упакована в несколько хромосом

В хромосомах организуется и хранится генетическая информация

Для репликации ДНК и разделения хромосом необходимы специальные последовательности ДНК

Интерфазные хромосомы не распределены в ядре случайным образом

ДНК в хромосомах всегда сильно конденсирована

Нуклеосомы — основные единицы строения хромосом эукариот

Компактизация хромосом происходит на нескольких уровнях

Регулирование структуры хромосом

Изменения структуры нуклеосом открывают доступ к ДНК

В интерфазных хромосомах обнаруживаются высококонденсированные и диффузные формы хроматина

Основные положения

В опросы в конце главы

Репликация и репарация ДНК

Репликация ДНК

Спаривание оснований лежит в основе репликации ДНК

Синтез ДНК начинается в точках начала репликации

В каждой точке репликации формируются две репликационные вилки

ДНК-полимераза синтезирует ДНК, используя материнскую цепь в качестве матрицы

Репликационная вилка асимметрична

ДНК-полимераза исправляет свои ошибки

Короткие фрагменты РНК служат праймерами для синтеза ДНК

Белки в репликационной вилке взаимодействуют друг с другом с образованием репликационной машины

Теломераза реплицирует концы эукариотических хромосом

Длина теломер зависит от типа и возраста клетки

Репарация ДНК

В клетках постоянно происходит повреждение ДНК

У клеток есть множество механизмов репарации ДНК

Система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов исправляет ошибки, пропущенные коррекцией

Для двухцепочечных разрывов ДНК необходима другая стратегия репарации

Гомологичная рекомбинация безошибочно восстанавливает двухцепочечные разрывы ДНК

Невозможность репарации повреждения ДНК может привести к тяжелым последствиям для клетки или организма

Подтверждение точности репликации и репарации ДНК содержится в геномных последовательностях

Основные положения

В опросы в конце главы

От ДНК до белка: как клетки считывают геном

От ДНК до РНК

Части последовательности ДНК транскрибируются в РНК

Транскрипция приводит к образованию РНК, комплементарной одной цепи ДНК

Клетки синтезируют различные типы РНК

Сигналы в ДНК указывают РНК-полимеразе, где начинать и заканчивать транскрипцию

Инициация транскрипции генов эукариот — сложный процесс

Эукариотической РНК-полимеразе нужны общие факторы транскрипции

Эукариотические РНК созревают в ядре

У эукариот кодирующие белки гены разделены некодирующими последовательностями — интронами

Интроны удаляются из пре-мРНК посредством сплайсинга РНК

Синтез и созревание РНК происходят на фабриках внутри ядра

Зрелые эукариотические мРНК экспортируются из ядра

Молекулы мРНК в конце концов деградируют в цитозоле

От РНК до белка

Последовательность мРНК декодируется по тройкам нуклеотидов

тРНК соотносят аминокислоты с кодонами мРНК

Специальные ферменты связывают тРНК с соответствующими им аминокислотами

Информация мРНК расшифровывается на рибосомах

Рибосома представляет собой рибозим

Определенные кодоны мРНК указывают рибосоме, где начинать и заканчивать синтез белка

Белки синтезируются на полирибосомах

Ингибиторы прокариотического синтеза белка используют как антибиотики

Контролируемое расщепление белков помогает регулировать количество белка в клетке

Между ДНК и белком множество шагов

Оглавление

РНК и происхождение жизни

Для жизни необходим автокатализ

РНК могут хранить информацию и катализировать химические реакции

Предполагается, что РНК появились раньше ДНК

Основные положения

Вопросы в конце главы

Регуляция экспрессии генов

Основы экспрессии генов

Разные типы клеток многоклеточного организма содержат одну и ту же ДНК

Разные типы клеток синтезируют разные наборы белков

Клетка может изменить экспрессию своих генов в ответ на внешние сигналы

Экспрессия генов может регулироваться на различных этапах от ДНК к РНК и к белку

Как происходит регуляция транскрипции

Регуляторы транскрипции связываются с регуляторными последовательностями

ДНК

Переключатели транскрипции позволяют клеткам отвечать на изменение их окружения

Репрессоры выключают гены, а активаторы их включают

Lac-оперон контролируют активатор и репрессор

Регуляторы транскрипции у эукариот контролируют экспрессию генов на расстоянии

Регуляторы транскрипции у эукариот способствуют инициации транскрипции путем рекрутирования модифицирующих хроматин белков

Петлевые домены хромосом контролируют энхансеры

Формирование специализированных типов клеток

Эукариотические гены находятся под контролем набора регуляторов транскрипции

Один белок может координировать экспрессию разных генов

Комбинаторный контроль способствует образованию различных типов клеток

Формирование целого органа может быть запущено единственным регулятором транскрипции

Регуляторы транскрипции можно использовать для управления формированием

определенных типов клеток в культуре

Дифференцированные клетки сохраняют свой тип

Посттранскрипционная регуляция

мРНК содержат последовательности, управляющие их трансляцией

Регуляторные РНК контролируют экспрессию тысяч генов

МикроРНК управляют разрушением мРНК

Малые интерферирующие РНК защищают клетки от инфекций

Тысячи длинных некодирующих РНК могут регулировать активность генов млекопитающих

Основные положения

В опросы в конце главы

Эволюция генов и геномов

Формирование генетической изменчивости

В организмах, размножающихся половым путем, только изменения в клетках зародышевой линии передаются потомкам

Точечные мутации — результат сбоев в нормальных механизмах копирования и репарации ДНК

Мутации могут изменить регуляцию гена

Удвоение ДНК дает начало семействам родственных генов

Удвоение и расхождение привели к появлению семейства генов глобинов

Удвоение целых геномов лежит в основе эволюционной истории многих видов

Перетасовка экзонов может привести к образованию новых генов

На эволюцию геномов значительно повлияли мобильные генетические элементы

Организмы могут обмениваться генами при горизонтальном переносе генов

Семейное древо жизни

Генетические изменения, дающие преимущество при естественном отборе, обычно сохраняются

Геномы близкородственных организмов похожи как по организации, так и по последовательности

Функционально важные области генома выглядят как островки консервативных последовательностей ДНК

Сравнение геномов показывает, что геномы позвоночных быстро теряют и приобретают ДНК

Консервативные последовательности позволяют нам проследить даже самые отдаленные эволюционные связи

Мобильные генетические элементы и вирусы

Мобильные генетические элементы кодируют компоненты, необходимые им для перемещения

Человеческий геном содержит два больших семейства транспозонов

Вирусы могут перемещаться между клетками и организмами

Ретровирусы обращают вспять нормальный поток генетической информации

Изучение генома человека

Нуклеотидные последовательности человеческих геномов показывают, как организованы наши гены

Различия в регуляции генов могут помочь понять, почему животные с похожими геномами такие разные

Геном вымерших неандертальцев помогает понять, что делает нас людьми

Изменчивость генома вносит вклад в нашу индивидуальность — но как?

Основные положения

В опросы в конце главы

Анализ структуры и функций генов

Выделение и клонирование молекул ДНК

Ферменты рестрикции разрезают молекулы ДНК в определенных сайтах

Гельэлектрофорез разделяет фрагменты ДНК разного размера

Клонирование ДНК начинается с получения рекомбинантной ДНК

Рекомбинантные ДНК можно копировать внутри бактериальных клеток

Целый геном можно представить в форме библиотеки ДНК

Гибридизация — чувствительный метод нахождения конкретных нуклеотидных последовательностей

Клонирование ДНК при помощи ПЦР

В ПЦР для амплификации последовательностей ДНК в пробирке используют ДНК-полимеразы и специальные ДНК-праймеры

ПЦР используют в диагностике и судебной медицине

Секвенирование ДНК

Метод терминации цепи основан на анализе цепей ДНК, терминированных в каждом положении

Методы секвенирования следующего поколения делают секвенирование геномов более быстрым и менее дорогостоящим

Метод дробовика

Клон за клоном

Теперь все вместе

Сравнительный анализ геномов позволяет находить гены и предсказывать их функции

Изучение функций генов

Анализ мРНК дает моментальный снимок экспрессии генов

Гибридизация in situ может показать, когда и где экспрессируется ген

Репортерные гены позволяют следить за конкретными белками в клетке

Изучение мутантов может помочь определить функцию гена

РНК-интерференция ингибирует активность конкретных генов

Известный ген можно удалить или заменить

Гены можно очень точно редактировать с использованием бактериальной системы

CRISPR

Мутантные организмы удобны в качестве моделей для изучения заболеваний человека

Трансгенные растения важны как для клеточной биологии, так и для сельского хозяйства

При помощи клонированной ДНК даже редкие белки можно получать в больших количествах

Основные положения

Вопросы в конце главы

Структура мембран

Липидный бислой

Мембранные липиды образуют бислой в водной среде

Липидный бислой — эластичная двумерная жидкость

Текучесть липидного бислоя зависит от его состава

Сборка мембраны начинается в ЭПР

Некоторые фосфолипиды находятся только с одной стороны мембраны

Мембранные белки

Мембранные белки связываются с липидным бислоем различными способами

Полипептидная цепь обычно проходит через липидный бислой в форме альфа-спирали

Детергенты могут высвобождать мембранные белки

Человек изучил полную структуру незначительного числа мембранных белков

Плазматическая мембрана усилена разветвленной белковой сетью со стороны цитоплазмы

В клетке может быть ограничено перемещение мембранных белков

Поверхность клетки покрыта углеводами

FRAP

Основные положения

В опросы в конце главы

Транспорт через клеточные мембраны

Принципы трансмембранного транспорта

Липидный бислой непроницаем для ионов и большинства незаряженных полярных молекул

Концентрации ионов внутри и снаружи клетки сильно различаются

Разница концентраций неорганических ионов с обеих сторон клеточной мембраны создает мембранный потенциал

В клетках присутствуют два класса мембранных транспортных белков: транспортеры и каналы

Растворенные вещества проходят через мембраны за счет пассивного или активного транспорта

Градиент концентрации и мембранный потенциал влияют на пассивный транспорт заряженных растворенных веществ

Процесс перемещения воды через клеточные мембраны по градиенту концентрации называют осмосом

Функции белков-транспортеров

Пассивные транспортеры перемещают растворенное вещество по его электрохимическому градиенту

Молекулярные насосы активно переносят растворенные вещества против электрохимического градиента

Na+ -насос использует энергию АТФ для транспортировки ионов Na+ наружу и K+ внутрь клеток животных

Na+ -насос создает значительный градиент концентрации Na+ на плазматической мембране

Ca2+ -насос поддерживает в цитоплазме низкую концентрацию ионов Ca2+

Молекулярные насосы с сопряжением градиентов обеспечивают активный

транспорт растворенных веществ с использованием их градиентов

Электрохимический градиент ионов Na+ управляет переносом глюкозы через плазматическую мембрану клеток животных

Электрохимический протонный градиент стимулирует перенос растворенных веществ в растениях, грибах и бактериях

И онные каналы и мембранный потенциал

Ион-селективные и замкнутые ионные каналы

Мембранный потенциал определяется проницаемостью мембраны для определенных ионов

Состояние ионных каналов случайным образом переключается в открытое или закрытое

На открытие и закрытие ионных каналов влияют различные стимулы

Потенциал-зависимые ионные каналы реагируют на мембранный потенциал

Ионные каналы и передача сигналов нервными клетками

Потенциал действия обеспечивает быструю передачу сигналов по аксонам на большие расстояния

Потенциал-зависимые катионные каналы участвуют в передаче потенциала действия

Потенциал-зависимые Ca2+ -каналы нервных окончаний преобразуют электрический сигнал в химический

Лиганд-зависимые ионные каналы постсинаптической мембраны преобразуют химический сигнал обратно в электрический импульс

Нейромедиаторы могут быть возбуждающими или тормозящими

Большинство психоактивных препаратов влияют на синаптические сигналы посредством контактов с рецепторами нейромедиаторов

Сложность синаптической передачи сигналов позволяет нам думать, действовать, учиться и помнить

Светозависимые ионные каналы могут быть использованы для временной активации или инактивации нейронов живых животных

Основные положения

Вопросы в конце главы

Как клетки получают энергию из пищи

Распад и использование углеводов и жиров

Молекулы пищи полностью распадаются за три этапа

В гликолизе образуется энергия при расщеплении углеводов

При гликолизе образуется АТФ и НАДН

В результате брожения АТФ может синтезироваться в отсутствие кислорода

Ферменты гликолиза связывают процессы окисления с накоплением энергии в активированных переносчиках

В митохондриальном матриксе в ацетил-КоА превращаются несколько типов органических молекул

В цикле лимонной кислоты НАДН образуется за счет окисления ацетильных групп до СО2

Многие пути биосинтеза начинаются с гликолиза или цикла лимонной кислоты

В большинстве типов клеток синтез основного количества молекул АТФ запускается с помощью транспорта электронов

Регулирование метаболизма

Катаболические и анаболические реакции организованы и отрегулированы

Регуляция по типу обратной связи позволяет клеткам переключаться с

расщепления глюкозы на ее синтез

Клетки хранят пищевые молекулы в специальных резервуарах на черный день

Основные положения

Вопросы в конце главы

Энергия образуется в митохондриях и хлоропластах

Клетки получают большую часть своей энергии с помощью механизма, связанного с мембранным переносом

Хемиосмотическое сопряжение — сохранившийся в современных клетках древнейший процесс

Митохондрии и окислительное фосфорилирование

Структура, расположение и количество митохондрий могут сильно варьировать от клетки к клетке

В митохондрии есть внешняя мембрана, внутренняя мембрана и два внутримитохондриальных компартмента

В цикле лимонной кислоты образуются необходимые для производства АТФ высокоэнергетические электроны

Движение электронов сопряжено с переносом протонов

Электроны проходят через три больших комплекса ферментов внутренней мембраны митохондрий

Перенос протонов через внутреннюю мембрану митохондрий создает большой электрохимический протонный градиент

АТФ-синтаза использует запасенную в электрохимическом протонном градиенте энергию для синтеза АТФ

Электрохимический градиент протонов может управлять молекулярным

транспортом через внутреннюю мембрану митохондрий

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях поддерживает в клетках высокое отношение АТФ/АДФ

Клеточное дыхание невероятно эффективно

Молекулярные механизмы переноса электронов и протонов

Протоны легко перемещаются в результате переноса электронов

Редокс-потенциал — мера сродства к электрону

Перенос электронов высвобождает большое количество энергии

Прочно связанные с белками металлы образуют универсальные переносчики электронов

Цитохром-с-оксидаза катализирует восстановление молекулярного кислорода

Х лоропласты и фотосинтез

По строению хлоропласты похожи на митохондрии, но имеют дополнительный компартмент тилакоид

В фотосинтезе сначала образуются, а затем потребляются АТФ и НАДФН

Молекулы хлорофилла поглощают энергию солнечного света

Возбужденные молекулы хлорофилла направляют энергию в реакционный центр

Две фотосистемы взаимодействуют для образования АТФ и НАДФН

Кислород образуется связанным с фотосистемой II молекулярным комплексом при расщеплении воды

Специальная пара в фотосистеме I получает электроны от фотосистемы II

Связывание углерода использует АТФ и НАДФН для преобразования CO2 в углеводы

Образующиеся в результате связывания углерода углеводы могут храниться в виде крахмала или использоваться для производства АТФ

Эволюция энергогенерирующих систем

Окислительное фосфорилирование развивалось этапами

Фотосинтетические бактерии мало зависят от условий окружающей среды

Образ жизни Methanococcus позволяет предположить, что хемиосмотическое сопряжение — древний процесс

Основные положения

Вопросы в конце главы

Внутриклеточные компартменты и транспорт белков

Окруженные мембраной органеллы

Все клетки эукариот содержат базовый набор мембранных органелл

Мембранные органеллы эволюционировали по-разному

Внутриклеточная сортировка белка

Три механизма транспорта белков в органеллы

Сигнальные последовательности направляют белки в правильный внутриклеточный компартмент

Белки попадают в ядро через ядерные поры

Для транспортировки в митохондрии и хлоропласты белки разворачиваются

Белки попадают в пероксисомы из цитозоля и эндоплазматического ретикулума

Белки попадают в эндоплазматический ретикулум при их синтезе

Образованные в ЭПР растворимые белки попадают в его просвет

Старт- и стоп-сигналы определяют расположение трансмембранного белка в липидном бислое

Везикулярный транспорт

Транспортные везикулы перемещают растворимые белки и мембраны между внутриклеточными компартментами

Отпочковывание везикул связано со сборкой их белковой оболочки

Контакт и слияние везикул с местом предназначения зависят от белков везикулярного транспорта

С екреторный путь

Большинство белков в ЭПР подвергаются ковалентной модификации

При выходе из ЭПР контролируется качество белка

Размер ЭПР определяется необходимостью фолдинга белка

Комплекс Гольджи — следующий пункт модификации и сортировки белков

Секреторные белки высвобождаются из клетки путем экзоцитоза

Пути эндоцитоза

Специализированные фагоцитирующие клетки поглощают крупные частицы

Клетка поглощает жидкость и макромолекулы с помощью пиноцитоза

Опосредованный рецепторами эндоцитоз обеспечивает попадание специфичных молекул в клетки животных

Поглощенные эндоцитозом макромолекулы сортируются в эндосомах

Лизосомы — основное место осуществления внутриклеточного пищеварения

Основные положения

Вопросы в конце главы

Клеточная сигнализация

Общие принципы клеточной сигнализации

Межклеточные сигналы могут действовать на больших и коротких расстояниях

Незначительное число внеклеточных сигналов может вызвать разнообразные изменения в поведении клеток

Ответ клетки на сигнал может быть быстрым или медленным

Рецепторы на поверхности клетки передают внеклеточные сигналы через внутриклеточные сигнальные пути

Некоторые внутриклеточные сигнальные белки действуют как молекулярные переключатели

Рецепторы на поверхности клетки делят на три основных класса

Ионотропные рецепторы преобразуют химические сигналы в электрические

Рецепторы, сопряженные с G- белками

Воздействие GPCR активирует субъединицы G-белка

Некоторые бактериальные токсины вызывают заболевание в результате изменения активности G-белков

Некоторые G-белки напрямую регулируют ионные каналы

Многие G-белки активируют мембраносвязанные ферменты, продуцирующие небольшие молекулы-мессенджеры

Путь передачи сигналов с циклическим АМФ может активировать ферменты и включать гены

Путь фосфатидилинозитола вызывает внутри клетки повышение концентрации ионов Ca2+

Сигнал ионов Ca2+ запускает многие биологические процессы

GPCR-зависимый путь передачи сигналов образует растворимый газ, переносящий сигнал в соседние клетки

Запускаемые GPCR внутриклеточные сигнальные каскады могут действовать с удивительными скоростью, чувствительностью и адаптируемостью

Сопряженные с ферментами рецепторы

Активированные РTK задействуют комплекс внутриклеточных сигнальных

белков

Большинство РTK активируют малую ГТФазу Ras

РTK активируют фосфатидилинозитол-3-киназу в плазматической мембране для образования участков контактов с липидами

Некоторые рецепторы активируют быстрое перемещение к ядру клетки

Некоторые внеклеточные сигнальные молекулы проходят через плазматическую мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами

У растений клеточная сигнализация и рецепторы отличаются от используемых животными

Паутина взаимосвязей протеинкиназ интегрирует информацию для управления сложным клеточным поведением

Основные положения

Вопросы в конце главы

Цитоскелет

Промежуточные филаменты

Прочные промежуточные волокна напоминают канат

Промежуточные филаменты делают клетки устойчивыми к механическим нагрузкам

Ядерную оболочку поддерживает сеть из промежуточных филаментов

Белки-линкеры соединяют филаменты цитоскелета с ядерной оболочкой

Микротрубочки

Микротрубочки — это полые трубочки со структурно различающимися концами

Центросома — основной центр организации микротрубочек в клетках животных

Микротрубочки динамически нестабильны

Динамическая нестабильность обусловлена гидролизом ГТФ

Динамику микротрубочек могут изменять лекарственные препараты

Микротрубочки организуют внутреннюю часть клетки

Двигательные белки управляют внутриклеточным транспортом

Микротрубочки и двигательные белки размещают органеллы в цитоплазме на своих местах

В ресничках и жгутиках содержатся перемещаемые динеином стабильные микротрубочки

Актиновые филаменты

Актиновые филаменты тонкие и гибкие

Процессы полимеризации актина и тубулина похожи

Многие белки связываются с актином и изменяют его свойства

Богатый актиновыми филаментами клеточный кортекс расположен под плазматической мембраной большинства клеток эукариот

Ползание клеток зависит от актина клеточного кортекса

Актин-связывающие белки влияют на форму выпячиваний на переднем крае клетки

Внеклеточные сигналы могут изменять расположение актиновых филаментов

Актин связывается с миозином и образует способные к сокращению структуры

Сокращение мышц

Сокращение мышц зависит от взаимодействующих филаментов актина и миозина

В процессе мышечного сокращения актиновые филаменты скользят по миозиновым

Сокращение мышц вызвано внезапным повышением концентрации ионов Ca2+ в цитозоле

Типы мышечных клеток выполняют разные функции

Основные положения

Вопросы в конце главы

Клеточный цикл

Обзор клеточного цикла

Клеточный цикл у эукариот состоит из четырех фаз

Система контроля клеточного цикла запускает основные его процессы

Система контроля клеточного цикла одинакова у всех эукариот

Система контроля клеточного цикла

Система контроля клеточного цикла зависит от циклически активируемых протеинкиназ Cdk

Различные комплексы циклин-Cdk запускают разные этапы клеточного цикла

Концентрацию циклинов регулируют транскрипция и протеолиз

Активность комплексов циклин-Cdk зависит от их фосфорилирования и дефосфорилирования

Активность Cdk может быть заблокирована белками-ингибиторами

Система контроля клеточного цикла способна остановить цикл различными способами

G1-ФАЗА

В G1-фазе Cdk всегда инактивированы

Митогены способствуют образованию циклинов, стимулирующих деление клеток

Повреждение ДНК может приостановить наступление G1-фазы

Клетки могут задерживать свое деление на длительное время за счет перехода в специализированные непролиферативные состояния

S-ФАЗА

S-Cdk инициирует репликацию ДНК и блокирует повторную репликацию

Неполная репликация ДНК может привести к остановке клеточного цикла в G2-фазе

М-ФАЗА

M-Cdk обеспечивает клетке вход в фазу митоза

Когезины и конденсины подготавливают удвоенные хромосомы для разделения

В митозе и цитокинезе участвуют различные комплексы цитоскелета

М-Фаза осуществляется поэтапно

Митоз

Две центросомы участвуют в формировании двух полюсов веретена деления

Веретено деления начинает собираться в профазе

Хромосомы прикрепляются к веретену деления в прометафазе

Хромосомы участвуют в сборке веретена деления

В метафазе веретено деления выстраивает хромосомы на экваторе клетки

Протеолиз приводит к разделению сестринских хроматид в анафазе

Хромосомы разделяются во время анафазы

Неприкрепленная хромосома не позволит разделить сестринские хроматиды

В телофазе ядерная оболочка формируется заново

Цитокинез

Веретено деления определяет плоскость разделения цитоплазмы

Сократительное кольцо клеток животных состоит из актиновых и миозиновых филаментов

В цитокинезе растительных клеток формируется новая клеточная стенка

При делении мембранные органеллы должны быть распределены по дочерним клеткам

Контроль числа и размера клеток

Апоптоз у животных помогает регулировать количество клеток

Апоптоз реализуется за счет внутриклеточного каскада протеолитических ферментов

Программу гибели клетки путем апоптоза регулирует семейство внутриклеточных белков Bcl2

Сигналы для инициации апоптоза могут исходить от других клеток

Клеткам животных необходимы внеклеточные сигналы для жизни, роста и деления

Факторы выживания подавляют апоптоз

Митогены способствуют переходу клеток в S-фазу и стимулируют деление клеток

Факторы роста стимулируют рост клеток

Выживание, деление или рост клеток могут быть ограничены действием некоторых внеклеточных сигнальных белков

Основные положения

Вопросы в конце главы

Половое размножение и генетика

Преимущества полового размножения

В половом размножении участвуют как диплоидные, так и гаплоидные клетки

Половое размножение создает генетическое разнообразие

Половое размножение дает организмам конкурентное преимущество в изменяющейся окружающей среде

Мейоз и оплодотворение

Мейоз включает в себя два этапа репликации ДНК и два этапа деления ядра

Удвоенные гомологичные хромосомы спариваются в профазе мейоза

Кроссинговер происходит между удвоенными материнскими и отцовскими хромосомами в биваленте

Спаривание и кроссинговер хромосом обеспечивают правильное расхождение гомологов

Второе деление мейоза дает дочерние гаплоидные ядра

Гаплоидные гаметы содержат перетасованную генетическую информацию

Мейоз не безупречен

Оплодотворение восстанавливает полный диплоидный геном

Мендель и законы наследования

Мендель изучал признаки, наследуемые дискретно

Мендель опроверг альтернативные теории наследования

Эксперименты Менделя показали существование доминантных и рецессивных аллелей

Гамета несет один аллель каждого признака

Закон расщепления признаков Менделя действует во всех организмах,

размножающихся половым путем

Аллели разных признаков наследуются независимо

Поведение хромосом в ходе мейоза лежит в основе законов наследования

Менделя

Гены, расположенные на одной хромосоме, могут расщепляться независимо в результате кроссинговера

Мутации в гене могут привести к потере функции или приобретению функции

Каждый из нас несет множество потенциально вредных рецессивных мутаций

Генетика как экспериментальный инструмент

Классический генетический подход начинается со случайного мутагенеза

Генетический скрининг идентифицирует мутантов с нарушением определенных клеточных процессов

Условные мутанты позволяют изучать летальные мутации

Тест на комплементацию показывает, находятся ли две мутации в одном гене

Изучение генетики человека

Сцепленные блоки полиморфизмов передавались из поколения в поколение от наших предков

Полиморфизмы проливают свет на нашу эволюционную историю

Генетические исследования помогают найти причины заболеваний человека

Многие тяжелые и редкие заболевания человека вызваны мутациями в отдельных генах

На распространенные болезни человека часто влияют множественные мутации и факторы окружающей среды

Полногеномный поиск ассоциаций помогает найти мутации, связанные с болезнями

Мы многого не знаем о генетических основах изменчивости и заболеваний человека

Основные положения

Вопросы в конце главы

Сообщества клеток: ткани, стволовые клетки и злокачественные опухоли

Внеклеточный матрикс и соединительные ткани

Растительные клетки имеют жесткие клеточные стенки

Прочность на разрыв придают растительной клеточной стенке целлюлозные микрофибриллы

Соединительные ткани животных состоят в основном из внеклеточного матрикса

Соединительным тканям животных прочность на разрыв придает коллаген

Клетки структурируют коллаген, который они секретируют

Интегрины связывают внеклеточный матрикс с цитоскелетом клеток

Гели из полисахаридов и белков заполняют объем и противостоят сжатию

Эпителиальные пласты и межклеточные контакты

Эпителиальные клетки поляризованы и лежат на базальной мембране

Плотные контакты препятствуют прохождению веществ между клетками эпителия и разделяют их апикальную и базальную поверхности

Контакты, связанные с цитоскелетом, прочно соединяют эпителиальные клетки друг с другом и с базальной мембраной

Щелевые контакты позволяют клеткам обмениваться ионами и малыми молекулами

Самообновление тканей и стволовые клетки

Ткани состоят из многих типов клеток, расположенных упорядоченно

Различные ткани обновляются с разной скоростью

Стволовые клетки и пролиферирующие клеткипредшественники — постоянный источник терминально дифференцированных клеток

Для поддержания популяций стволовых клеток служат специальные сигналы

Стволовые клетки можно использовать для восстановления поврежденных тканей

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — удобный источник получения плюрипотентных стволовых клеток человека

Плюрипотентные стволовые клетки мыши и человека могут формировать в культуре ткани органоиды

Онкологические заболевания

Раковые клетки избыточно размножаются и аномально мигрируют

Эпидемиология выявляет предотвратимые случаи рака

Онкологические заболевания возникают изза накопления мутаций

Трансформированные клетки приобретают свойства, которые дают им конкурентное преимущество

В развитии злокачественных опухолей играют решающую роль две группы генов — онкогены и гены-супрессоры опухолей

Большинство критически важных для развития рака мутаций кодируют белки, участвующие в нескольких главных сигнальных путях

Рак кишечника — иллюстрация того, как утрата функции гена-супрессора может приводить к развитию злокачественной опухоли

Изучение клеточной биологии трансформированных клеток позволяет разработать новые способы лечения

Основные положения

Вопросы в конце главы

Ответы

Словарь терминов

Предметный указатель

Примеры страниц из книги "Основы молекулярной биологии клетки" - Альбертс Б.