Молекулярная биология для биоинформатиков Академический университет Володина Наталья Яковлевна

Лекция 2 - Введение в биологию
Строение клетки (обзор)
Органеллы, ядро, мембраны, метаболизм, передача информации, основные виды живых организмов (прокариоты и эукариоты), вирусы

Органические вещества
Молекулы уникальные для живых существ
Полимеры:
Углеводы
Липиды
Белки
Нуклеиновые кислоты
И их составные части – мономеры: ….

Клеточная теория
Клетка – основная единица жизни

Figure 3.2
Secretion being released
from cell by exocytosis
Peroxisome
Ribosomes
Rough
endoplasmic
reticulum
Nucleus
Nuclear envelope
Chromatin
Golgi apparatus
Nucleolus
Smooth endoplasmic
reticulum
Cytosol
Lysosome
Mitochondrion
Centrioles
Centrosome
matrix
Microtubule
Microvilli
Microfilament
Intermediate filaments
Plasma
membrane

Двойной липидный слой с встроенными молекулами белков
Липидный слой состоит из фосфолипидов, гликолипидов и холестерола
Гликолипиды – это липиды со встроенным углеводом
Фосфолипиды имеют гидрофильный (липид) и гидрофобный (фосфат) концы
PLAY
Membrane Structure
Плазматическая (клеточная) мембрана

Жидко-мозаичная модель мембраны
Figure 3.3

Функции мембранных белков
Транспортные белки
Ферменты
Рецепторы для передачи сигналов
Figure 3.4.1
PLAY
Receptor Proteins
PLAY
Enzymes
PLAY
Transport Protein

Функции мембранных белков
Межклеточная адгезия
Узнавание других клеток
Соеденение с цитоскелетом или внеклеточным матриксом
Figure 3.4.2
PLAY
Structural Proteins

Состав клеточной мембраны
Различается по липидам
Гликолипиды – только в верхнем слое
Холестерол составляет 20% от всех липидов

Липидные «плоты»
Занимают 20% поверхности мембраны
Состоят из сфинголипидов и холестерола
Являются платформами для сигнальных молекул

Пассивный мембранный транспорт: Диффузия
Простая диффузия – неполярные и липидорастворимые субстанции
Диффундируют прямо через липидные слои
Или через белковые каналы
PLAY
Diffusion

Пассивный мембранный транспорт: Диффузия
Облегченная диффузия
Транспорт глюкозы, амино кислот и ионов
Транспорт путем связывания с белками переносчиками или прохождения через белковые каналы

Белки переносчики
Трансмембранные белки
Специфически связываются с определенным типом полярных молекул, например амино кислотами и сахарами

Диффузия через плазматическую мембрану
Figure 3.7
Extracellular fluid
Cytoplasm
Lipid-
soluble
solutes
Lipid
bilayer
Lipid-insoluble
solutes
Water
molecules
Small lipid-
insoluble
solutes
(a) Simple diffusion
directly through the phospholipid bilayer
(c) Channel-mediated
facilitated diffusion
through a channel
protein; mostly ions
selected on basis of
size and charge
(b) Carrier-mediated facilitated
diffusion via protein carrier
specific for one chemical; binding
of substrate causes shape change
in transport protein
(d) Osmosis, diffusion
through a specific
channel protein
(aquaporin) or
through the lipid
bilayer

Пассивный мембранный транспорт: осмос
Когда концентрация растворителя – разная на разных сторонах мембраны
Диффузия воды через полунепроницаемую для веществ мембрану
PLAY
Osmosis

Активный транспорт
Использует АТФ
С участием белка переносчика

Типы активного транспорта
Первичный – с участием гидролиза АТФ
Вторичный – использует белковый канал-насос, чтобы запустить транспорт других молекул

Типы активного транспорта
Figure 3.11

Везикулярный транспорт
Транспорт больших частиц и макромолекул
Экзоцитоз – транспорт из клетки
Эндоцитоз – транспорт в клетку

Экзоцитоз
Figure 3.12a

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Recycling of
membrane and
receptors (if present)
to plasma membrane
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
To lysosome
for digestion
and release
of contents
Transcytosis
Endosome
Exocytosis
of vesicle
contents
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis
2
1
3

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
(a) Clathrin-mediated endocytosis

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
(a) Clathrin-mediated endocytosis

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
Endosome
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Recycling of
membrane and
receptors (if present)
to plasma membrane
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
Endosome
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis
1

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
To lysosome
for digestion
and release
of contents
Endosome
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis
2

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
Transcytosis
Endosome
Exocytosis
of vesicle
contents
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis
3

Эндозитоз с участием клатрина
Figure 3.13a
Recycling of
membrane and
receptors (if present)
to plasma membrane
Cytoplasm
Extracellular
fluid
Extracellular
fluid
Plasma
membrane
Detachment
of clathrin-
coated
vesicle
Clathrin-
coated
vesicle
Uncoating
Uncoated
vesicle
Uncoated
vesicle
fusing with
endosome
To lysosome
for digestion
and release
of contents
Transcytosis
Endosome
Exocytosis
of vesicle
contents
Clathrin-
coated
pit
Plasma
membrane
Ingested
substance
Clathrin
protein
(a) Clathrin-mediated endocytosis
2
1
3

Фагоцитоз
Figure 3.13b

Эндоцитоз с участием рецепторов
Figure 3.13c

Пассивный транспорт

Активный транспорт

Цитоплазматические органеллы
Мембранные
Митохондрии, пероксисомы, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи
Немембранные
Цитоскелет, центриоли и рибосомы

Метаболизм

Митохондрии
Окружены двойной мембраной с так называемыми «кристами»
Производят АТФ
Содержат собственные РНК и ДНК

Митохондрии
Figure 3.17a, b

Рибосомы
Гранулы, содержащие белки и рРНК
Место белкового синтеза
Свободные рибосомы синтезируют растворенные белки
Рибосомы, связанные с мембранами, производят белки для включения в мембраны

Эндоплазматический ретикулум (ЭР)
Трубочки и пластинки, связанные друг с другом
Связан с ядерной мембраной
2 типа – гладкий и шероховатый

Эндоплазматический ретикулум (ЭР)
Figure 3.18a, c

Шероховатый ЭР
Внешняя сторона утыкана рибосомами
Производит все мембранные белки и фосфолипиды

Синтез белка
Комплекс мРНК-рибосомы присоединяется к ЭР
Полипептид проходит внутрь ЭР и там гликозилируется (пост-трансляционные модификации)

Синтез белка
Белок приобретает трехмерную конформацию
Белок упаковывается в транспортный пузырек, который переносится в аппарат Гольджи

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Синтез белка
Figure 3.19

Гладкий ЭР
Состоит из сети трубочек
В печени – участвует в метаболизме липидов и холестерола
В печени и почках – детоксификация химических веществ
Синтез стероидных гормонов

Гладкий ЭР
В клетках кишечника – всасывание, синтез и транспорт жиров
В мышечных клетках – запас и выброс ионов кальция

Аппарат Гольджи
Стопка плоские мембранных мешков
Модификация, концентрация и упаковка белков
Транспортные пузырьки от ЭР соединяются с cis стороной Гольджи

Аппарат Гольджи
Белки затем мигрируют к trans стороне Гольджи, откуда секреторные пузырьки отправляются к пункту назначения

Аппарат Гольджи
Figure 3.20a

Функции аппарата Гольджи
Figure 3.21

Функции аппарата Гольджи
Figure 3.21

Функции аппарата Гольджи
Figure 3.21

Функции аппарата Гольджи
Figure 3.21

Функции аппарата Гольджи
Figure 3.21

Лизосомы
Мембранные органеллы, содержащие пищеварительные ферменты
Переваривают бактерии, вирусы, токсины, отжившие органеллы, разрушают гликоген

Лизосомы
Разрушают отмершие ткани
Разрушают костную ткань с высвобождением ионов кальция
Иммунные клетки содержат секретируемые липосомы

Эндомембранная система
Figure 3.23

Пероксисомы
Мембранные органеллы, содержащие оксидазы и каталазы
Учавствуют в синтезе жирных кислот
Обезвреживают токсичные вещества
Нейтрализуют свободные радикалы
Свободные радикалы – высокореактивные вещества с неспаренными электронами (например, O2–)

Двойные ковалентные связи
Figure 2.7b

Цитоскелет
Микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты

Цитоскелет
Figure 3.24a-b

Цитоскелет
Figure 3.24c

Микротрубочки
Трубочки состоящие из сферического белка тубулина
Отвечают за форму клетки и распределение органелл

Микрофиламенты
Нити белка актина
Присоединены к цитоплазматической стороне клеточной мембраны
Усиливает клеточную поверхность, связываются с CAMs и участвует в эндо и экзо-цитозе
Актиновые миофибриллы

Промежуточные филаменты
Прочные, нерастворимые белки
Усиливают прочность клетки против натяжения и образуют десмосомы

Двигательные молекулы
Комплексы белков, участвующие в мобильности
Требуют энергии АТФ
Присоединяются к органеллам

Двигательные молекулы
Figure 3.25a

Двигательные молекулы
Figure 3.25b

Центриоли
Маленькие органеллы в форме бочонка, расположенные в центросоме около ядра
Набор 9 триплетов микротрубочек
Организуют митотическое веретено во время митоза (деления клетки)
Образуют жгутики и реснички соответствующих клеток

Центриоли
Figure 3.26a, b

Реснички
Figure 3.27a

Реснички
Figure 3.27c

Ядро
Содержит ядерную оболочку, ядрышки, хроматин и районы содержания особых белков
Хроматин содержит ДНК, содержащую гены – матрицы синтеза почти всех клеточных белков
Диктует какие и сколько белков будут синтезироваться

Ядро
Figure 3.28a

Ядерная мембрана
Селективно проницаемая двойная мембрана, содержащая поры – для транспорта макромолекул
Внутри – гелеподобная нуклеоплазма

Ядрышки
Маленькие темно-окрашенные тельца
Место образования рибосом

Клеточный цикл
Клетка рождается, питается, делится и умирает

2 типа клеток – прокариоты и эукариоты

Прокариоты и эукариоты
3 основных древа жизни
Прокариоты – Archea и Bacteria
Эукариоты входят в царство Eukarya и включают в себя Животные, Растения, Грибы, Простейшие и некоторые Водоросли
Приложение биоинформатики

Прокариоты и эукариоты

Вирусы
Маленькие инфекционные агенты, которые могут реплицироваться только внутри живых клеток

Перенос генетической информации
Трансляция
Транскрипция
Репликация

ДНК РНК Белок
Транскрипция – синтез РНК (мРНК)
Трансляция – синтез белка