Клеточная теория, история и современное состояние, ее значение для биологии и медицины

Передвижение рибосомы вдоль  мРНК называется транслокацией. На этой стадии необходим белок EF-G, называемый также транслоказой, и гидролиз еще одной молекулы ГТФ . На этой стадии происходит изменение конформации всей рибосомы, способствующее ее продвижению по мРНК на три нуклеотида в направлении к 3'-концу матрицы. Процесс транслокации обеспечивается энергией за счет гидролиза ГТФ: EF-G связывается с рибосомой только будучи в присутствии ГТФ, а затем после гидролиза ГТФ он высвобождается из рибосомы. Теперь рибосома с прикрепленными к ней дипептидил-тРНК и мРНК готова к следующему циклу элонгации, т.е. к присоединению третьего аминокислотного остатка. Осуществляется это точно так же, как и присоединение второго остатка. На присоединение каждой аминокислоты затрачивается 2 молекулы ГТФ, которые гидролизуются до ГДФ и фосфата. Количество транслоказы сравнимо с кол-вом рибосом (около 20 тыс. молекул/клетку) и на ее долю приходится 2% растворимого клеточного белка. По мере движения рибосомы от кодона к кодону вдоль мРНК к ее 3'-концу аминокислотные остатки один за другим добавляются к растущей полипептидной цепи, которая все это время остается связанной с тРНК, соответствующей последней включенной аминокислоте. Синтез полипептидной цепи всегда начинается с N-конца и полипептидная цепь растет в направлении к С-концу. У бактерий при 37^оС скорость элонгации варьирует от 12 до 17 а.о./с. Конкретная величина скорости зависит от условий роста клеток. В синтезе белка одновременно участвуют 80% бактериальных рибосом. Об окончании нуклеотидной последовательности, соответствующей полипептиду, сигнализирует один из трех терминирующих кодонов мРНК, расположенный непосредственно за кодоном последней аминокислоты. Терминирующие триплеты УАА (охра-кодон), УАГ (амбер-кодон) и УГА (опал-кодон), называемые так по названию мутантов E. coli , с помощью которых они были впервые определены, не кодируют никакую аминокислоту, поэтому их еще называют бессмысленными триплетами (нонсенстриплетами). Как только рибосома достигает терминирующего кодона, начинают действовать три терминирующих белка (релизинг-факторы) - RF1 (узнает УАА и УАГ), RF2 (узнает УГА и УАА) и RF3. Они вызывают гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК и его высвобождение и отделение от Р-участка рибосомы последней, уже "пустой" тРНК. Формильная группа метионина синтезированного белка удаляется специальным деформилирующим ферментом. В том случае, если в белке N-концевой аминокислотой является метионин, то достаточно только этой модификации. Если же белок должен начинаться с другой аминокислоты, то с помощью аминопептидазы удаляется метионин и вторая аминокислота превращается в N-концевую. Для обеспечения точности белкового синтеза необходима энергия. На ферментативное образование каждой аминоацил-тРНК из свободной аминокислоты затрачиваются 2 высокоэнергетические фосфатные группы. Для исправления ошибок аминоацил-тРНК-синтетазой могут потребоваться добавочные молекулы АТФ. 1 молекула ГТФ расщепляется на стадии инициации, 1 молекула ГТФ расщепляется на первой стадии каждого цикла элонгации и еще 1 молекула ГТФ требуется для транслокации рибосомы.

У прокариотических организмов транскрипция и трансляция сопряжены: рибосомы прикрепляются к 5'-концу растущей мРНК и начинают синтез белка раньше, чем заканчивается синтез самой мРНК. При этом прокариотические мРНК "живут" очень недолго: время, за которое разрушается половина вновь синтезированних мРНК (функциональное время полужизни), составляет в среднем 2 мин. При этом деградация 5'-конца мРНК может начаться раньше, чем закончится синтез или трансляция 3'-конца той же молекулы. Скорости транскрипции (2500 нуклеотидов/мин) и трансляции (15а.о./с) примерно равны, тогда как деградация мРНК происходит примерно вдвое медленно.

В результате 3'-концевая часть  мРНК существует дольше, чем 5'-концевая область. Число рибосом, принимающих участие в трансляции определенной мРНК в какой-либо момент времени, зависит от эффективности узнавания инициирующих последовательностей. С момента транскрипции до момента деградации каждую мРНК, вероятно, успевают протранслировать около 30 рибосом.

Когда межцистронные области велики, инициаторный комплекс каждый раз заново строится вокруг инициаторного кодона цистрона

Трансляция у эукариот

Процесс трансляции у эукариот только в общих чертах аналогичен процессу трансляции у прокариот. Хотя 3'-концевая последовательность 18S-рРНК эукариот гомологична 3'-концу 16S-рРНК прокариот, в ней отсутствует участок комплементарный последовательности Шайна-Дальгарно. Лидерная последовательность эукариотических мРНК обычно короткая (не более 100 нуклеотидов), а для связывания с 40S-субчастицей при формировании инициаторного комплекса служит ее кэп. В эукариотических клетках обнаружено по крайней мере 9 факторов инициации: eIF1 (15 кДа, мономер), eIF2 (тример), eIF3 (>500 кДа, мультимер), eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF5 (150 кДа, мономер) и eIF6 (23кДа, мономер). Эукариоты содержат также специальную инициаторную тРНКi Met, но метионин, который к ней присоединяется, не формилируется. Инициация у эукариот начинается с формирования тройного комплекса [тРНКiMet7eIF27ГТФ] в результате присоединения eIF27ГТФ к тРНКi Met. Затем тройной комплекс взаимодействует с 40S-субчастицей, и этот новый комплекс стабилизируется присоединяющимися белками eIF3 и eIF4C. eIF3 (вероятно, совместно с eIF6) играет ту же роль, что и прокариотический IF3, поддерживая малую субчастицу в свободном состоянии. eIF3 необходим и для последующего присоединения малой субчастицы к мРНК, для этого взаимодействия нужны также дополнительные белки eIF1, eIF4A и eIF4B и гидролиз АТФ. Присоединение 60S-субчастицы требует присутствия eIF5 и сопряжено с гидролизом ГТФ, который уже находится в инициаторном комплексе в составе [тРНКiMet7eIF27ГТФ].

Есть два принципиальных отличия эукариотического механизма инициации трансляции от прокариотического.

Во-первых, образование комплекса [тРНКiMet7eIF27ГТФ7eIF3740S] у эукариот всегда происходит до связывания с мРНК, тогда как у прокариот обычно сначала [IF3730S] связывается с мРНК и лишь потом может присоединиться [тРНКfMet7IF2]. Вероятно, что у прокариот присоединение мРНК к 30S-субчастице возможно за счет комплементарного взаимодействия 16S-рРНК с последовательностью Шайна-Дальгарно, тогда как у эукариот, у которых эта последовательность отсутствует, связывание мРНК в инициаторном комплексе может произойти только за счет комплементарности инициаторного кодона и антикодона тРНКiMet.

Во-вторых, инициаторный комплекс у прокариот строится непосредственно на инициаторном кодоне, тогда как [тРНКiMet7eIF27ГТФ7eIF3740S] садится на 5'-конец мРНК, а затем двигается вдоль мРНК к ее 3'-концу, используя энергию гидролиза АТФ до тех пор, пока не достигнет инициаторного кодона. Поэтому у прокариот возможна инициация транскрипции с любого цистрона в их полицистронной мРНК, а у эукариот мРНК всегда моноцистронные, а в полицистронной мРНК эукариотическая система трансляции может транслировать только первый цистрон.

У эукариот есть два фактора элонгации - eEF1 и eEF2, которые соответствуют прокариотическим EF-T и EF-G. Роль eEF1 заключается в доставке аминоацил-тРНК в рибосому, при этом тоже осуществляется гидролиз ГТФ. Скорость элонгации у эукариот ниже, чем у прокариот. У эукариотических организмов был обнаружен только один релизинг-фактор - eRF. Для его связывания с рибосомой, по-видимому, требуется ГТФ, тогда как в прокариотических системах этого не нужно. Скорее всего гидролиз ГТФ нужен для отсоединения eRF от рибосомы после терминации. В отличие от прокариотической мРНК информационная РНК в цитоплазме эукариот относительно стабильна. Обычно около половины мРНК имеет период полужизни около 6ч, тогда как остальная мРНК - примерно 24 ч. В дифференцированных клетках, специализированных на синтезе определенных белков, некоторые мРНК могут быть еще более стабильными. В цитоплазме активно синтезирующих белок клеток обычны скопления рибосом одновременно транслирующих молекулу мРНК, называемые полисомами. Полисомы всегда закреплены либо на мембране гранулярного эндоплазматического ретикулума, либо на филаментах цитоскелета и имеют тенденцию располагаться цепочкой поблизости от ядра в тех местах, где мРНК входит в цитоплазму. В противоположность полисомам мономерные рибосомы находятся в клетке в свободном состоянии. Митохондрии и хлоропласты содержат свои собственные рибосомы, и тРНК прокариотического типа. Некоторые митохондрии грибов и млекопитающих содержат не более чем 23 - 24 различных тРНК. Такая "экономия" достигается у них за счет упрощения кодон-антикодонового взаимодействия, в результате которого одна тРНК становится способной узнавать всех представителей кодонового семейства и за счет небольших "поправок" их генетического кода, описанных выше. Поэтому 23 митохондриальных гена для тРНК кодируют инициаторную тРНК, 14 тРНК, узнающих пары кодонов, и 8 тРНК, узнающих семейства кодонов. Хлоропластные тРНК похожи на прокариотические настолько, что рибосомы хлоропластов способны использовать при синтезе белка бактериальные тРНК. Синтез белка в хлоропластах и в митохондриях начинается с N-формилметионина, как и у бактерий, а не с метионина, как в цитоплазме их клеток, и инициация транскрипции происходит у них по прокариотическому типу.

Основным условием существования  любых живых организмов является наличие тонкой, гибкой, согласованно действующей системы регулирования, в которой все элементы тесно связаны друг с другом. В белковом синтезе не только количественный и качественный состав белков, но и время синтеза имеет прямое отношение ко многим проявлениям жизни. В частности, от этого зависит приспособление микроорганизмов к условиям окружающей питательной среды как биологической необходимости или приспособление сложного многоклеточного организма к физиологическим потребностям при изменении внутренних и внешних условий.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной  теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты  играют как бы роль матриц, в которых  записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка  аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Размножение. Половое  и бесполое размножения. Формы бесполого  и полового размножения. Биологическое значение

Продолжительность жизни  особи меньше продолжительности  существования вида, к которому она  принадлежит. Поэтому история видов  — это история сменяющихся поколений организмов. Очередное (дочернее) поколение образуется в результате размножения особей предшествующего (родительского, материнского) поколения. Способность к размножению является неотъемлемым свойством живых форм. С его помощью сохраняются во времени биологические виды и жизнь как таковая. Различия, закономерно наблюдаемые в фенотипах особей разных поколений, делают возможным естественный отбор и видообразование. Размножение возникло в ходе исторического развития органического мира вместе с клеткой. В процессе биологического размножения решение задачи увеличения числа особей сочетается с обеспечением развития в каждом поколении организмов определенного вила, т.е. воспроизведением себе подобных. Последнее зависит от того, что в процессе размножения происходит передача в ряду поколений наследственного материала (ДНК), т. е. определенной по объему и содержанию биологической информации.

Размножение, присущее всем организмам свойство воспроизведения себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни. В основе всех форм размножения у организмов, обладающих клеточным строением, лежит деление клетки. Предлагались различные классификации форм размножения. Основных способов размножения три: бесполое, вегетативное и половое. 

Один из основных типов  размножения — бесполое. Бесполое размножение происходит без образования гамет, в нем участвует лишь один организм. При бесполом размножении обычно образуются идентичные потомки, а единственным источником генетической изменчивости служат случайные мутации. Генетическая изменчивость выгодна виду, потому что она является поставщиком «сырья» для естественного отбора, а значит, и для эволюции. 
           Для бесполого размножения характерно то, что в процессе не участвует мейоз (исключение составляют растительные организмы с чередованием поколений), и потомки идентичны родительской особи. Такое идентичное потомство, которое происходит от одной родительской особи, называют клоном. Члены одного клона могут быть генетически различными, только когда возникают случайные мутации.

Процесс полового размножения  осуществляется при наличии половых  клеток. Половое размножение отличается наличием полового процесса, который обеспечивает обмен наследственной информацией и создает условия для возникновения наследственной изменчивости. В нем, как правило, участвуют две особи — женская и мужская, которые образуют гаплоидные женские и мужские половые клетки — гаметы. В результате оплодотворения, т. е. слияния женской и мужской гамет, образуется диплоидная зигота с новой комбинацией наследственных признаков, которая и становится родоначальницей нового организма. Половое размножение по сравнению с бесполым обеспечивает появление наследственно более разнообразного потомства. Эффективности комбинирования генетического материала у потомков, полученных в результате полового размножения способствуют:

1. случайная встреча двух гамет;
2. случайное расположение и расхождение к полюсам деления гомологичных хромосом при мейозе;
3. кроссинговер между хроматидами.

Процесс оплодотворения складывается из трех этапов — сближения половых клеток, активации яйцеклетки и слияния гамет (сингамия).

Формы бесполого размножения.

          При моноцитогенном бесполом размножении начало особям потомства даёт одна клетка родительского организма. Оно включает следующие способы: 
1. Фрагментацией, называют разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых растет и образует новую особь. Фрагментация происходит, например, у нитчатых водорослей, таких как спирогира.  
          Нить спирогиры может разорваться на две части в любом месте. Фрагментация наблюдается также у некоторых низших животных, которые в отличие от более высокоорганизованных форм сохраняют значительную способность к регенерации из относительно слабо дифференцированных клеток. Например, тело немертин (группа примитивных червей, главным образом морских) особенно легко разрывается на много частей, каждая из которых может дать в результате регенерации новую особь. В этом случае регенерация - процесс нормальный и регулируемый; однако, у некоторых животных (например, у морских звезд) восстановление из отдельных частей происходит только после случайной фрагментации.  
            Животные, способные к регенерации, служат объектами для экспериментального изучения этого процесса; часто при этом используют свободноживущего червя планарию. Такие эксперименты помогают понять процесс дифференцировки.