Предмет и задачи молекулярной биологии

Предмет молекулярная биология
Цитологи и микроанатомы стали заниматься клеточной биохимией и клеточной молекулярной биологией.
Трехмерная конформация
Электронный микроскоп
Развитие методов иммунологии
Использование антител позволило исследовать внутреннее содержимое клетки

Достижения науки
Физическая и молекулярная биохимия открыла путь к пониманию трехмерной конформации молекул, контролирующих активность клетки.

Достижения науки
С разработкой электронного микроскопа использование электронных лучей стало столь же важно в получении изображения клеток, как и использование световых волн.

Достижения науки
Развитие методов иммунологии позволило понять процессы взаимодействия антиген—антитело и сделать открытие, что антитела могут точно распознавать молекулы внутри клетки.

Достижения науки
Использование антител позволило цитологам исследовать внутреннее содержимое клетки способами, которые раньше были недоступны (моноклональные антитела).

История развития МБ
Сегодня для изучения локализации, величины и взаимодействия даже крохотных количеств белков в разных отделах клетки применяют антитела.
Трудно оценить какой-либо крупный скачок в биохимии, генетике, иммунологии, эмбриологии или физической химии как наиболее решающий для клеточной биологии
Но если и было достижение, равное созданию микроскопа, то это — использование антител для идентификации, локализации и прослеживания судьбы регуляторных белков внутри клетки.

История развития МБ
Было показано, что отдельные типы клеток млекопитающих можно выращивать в лабораторных условиях.
Эту технологию, называемую культурой тканей и клеток, стали применять для выращивания клеток всех органов, включая кожу, печень, почку, гипофиз, мышцу и даже некоторые типы клеток нервной системы.
Hela – культура клеток

История развития МБ
Развитие этой технологии открыло путь к экспериментам, в которых для клеток моделировали условия окружающей среды.
С использованием культуры клеток можно искусственно менять нормальные физиологические условия. Таким способом можно изучить реакцию клетки в тех случаях, когда изучение такой реакции невозможно при нахождении клеток in situ .

История развития МБ
Была накоплена информация о том, как клетки взаимодействуют друг с другом
С использованием клеточных культур было четко доказано значение молекул внеклеточного матрикса для роста и взаимодействия клеток.
Стали расширяться представления
о делении клеток и молекулах, которые его контролируют,
о старении клеток и
различиях между нормальными клетками и клетками опухолей.

История развития МБ
С помощью антител и культуры клеток цитологи могут определить, какие молекулы отсутствуют, дефектны или гиперактивны при нарушении «социального поведения» клеток.
Молекулы участвуют в функции клетки, цитолог может выделить отдельную функцию, молекула за молекулой, и изучить детали каждого взаимодействия, о чем нельзя было и мечтать два или три десятилетия назад

История развития МБ
Более того, в последние 10 лет стало возможным встраивать гены в геном живых мышей (получая так называемых трансгенных мышей) и изучать их функцию.
Эта технология проложила дорогу к созданию животных, имеющих заданные дефекты, и к изучению их фенотипа как в развитии, так и во взрослом состоянии.

История развития МБ
Кроме того, путем введения отдельных онкогенов в определенные клетки стало возможным получать из этих клеток опухоли и прививать их (опухоли) животному или изучать в культуре ткани.

История развития МБ
Нельзя не подчеркнуть, как много информации о функциях человеческих клеток было получено при изучении менее сложных организмов.
Мы приведем три различных организма и опишем, как каждый из них использовался.
Первыми должны быть упомянуты клетки дрожжей; они особенно помогли пролить свет на молекулярные события клеточного цикла, так как с дрожжами легко манипулировать генетически и выращивать их в лаборатории.

История развития МБ
Использование прокариот для имплантации необходимых генов животных клеток.

История развития МБ
Клонирование

История развития МБ
Киназы и циклины (субъединицы белков, синтез и распад которых увеличивается и уменьшается в течение клеточного цикла) — основные молекулы, которые руководят клеткой на всем протяжении цикла.
Изучение этих молекул сыграло существенную роль в формировании современных представлений о том, как развиваются клетки млекопитающих в течение клеточного цикла.

История развития МБ
Дрожжевые клетки также стали основной моделью для исследования молекулярных основ секреции:
пути передвижения внутриклеточных везикул,
сортировка белков и
биогенез органелл
были поняты благодаря использованию дрожжевых клеток.

История развития МБ
Два абсолютно разных беспозвоночных организма, Caenorhabditis elegans (небольшая нематода) и Drosophila melanogaster (плодовая мушка), служат отличными моделями для:
изучения развития клетки,
органогенеза,
программируемой клеточной смерти и
молекулярной генетики поведения клетки.
Врачи моментально оценили важность новых знаний о функции клетки, полученных на нематоде или плодовой мушке, и имеют большое значение для понимания поведения человеческих клеток.

История развития МБ
Роль плодовой мушки в углублении наших знаний о ранних стадиях развития и эмбриогенеза была отмечена присуждением Нобелевской премии Christine Nusslein-Volhard (Германия), Eric Wieschaus (США) и Edward Lewis (США) (1995).
В конечном итоге все эукариотические клетки используют сходные молекулы для выполнения одинаковых функций;
таким образом, мы все взаимосвязаны и, вероятно, объединены общим происхождением. Чем лучше мы понимаем строение простых систем, тем больше мы узнаем о самих себе.

Задачи МБ
Ядро: синтез ДНК и теломераза
Ядро: экспрессия генов и транскрипционные факторы
Цитоплазма:образование белков – трансляция, фолдинг, модификация
Биомембраны: структура и участие в межклеточных взаимодействиях
Передача внешнего сигнала в клетку и внутриклеточные медиаторы
Узел проблем: клеточный цикл, апоптоз и онкогенез

Задачи МБ
Теломераза – специальный фермент использующийся для поддержания длины теломерной ДНК и удлиняет G-цепь каждой теломеры.
Транскрипционные факторы – это белки (TBP – TATA Binding Protein и TAF –TATA Association Factors) необходимые для транскрипции большинства генов.
*
Теломера

Задачи МБ
Фолдинг- сворачивание пептидной цепи в правильную трехмерную структуру и объединение нескольких субъединиц белка в единую макромолекулу.

Задачи МБ
Межклеточные взаимодействия – образование клеток друг с другом или с внеклеточными структурами относительно постоянные контакты.

Задачи МБ
Межклеточные контакты
Контакты простого типа (межклеточные соединения и интердигитации)
Контакты скрепляющего типа (десмосомы и адгезивный поясок)
Контакты запирающего типа (плотное соединение)
Контакты коммуникационного типа (щелевидные соединения и синапсы)

Задачи МБ
Внутриклеточные медиаторы – вещества, проводящие сигнал из плазмолеммы к специальным регуляторным белкам, взаимодействующим на ферменты метаболизма или на гены (через посредство траскрипционных факторов)
К ним относятся: циклический АМФ (цАМФ) , простагландины (производные арахидоновой кислоты), цГМФ, ионы Са2+ , инозитфосфатиды, оксид азота (NO), Ras-белок и др.

Задачи МБ
Клеточный цикл - клетка вступает в процесс дифференцировки; регуляция клеточного цикла.

Задачи МБ
Апоптоз –в клетке запускается механизм самоуничтожения

Задачи МБ
Онкогенез – клетка подвергается бласттрансформации, т.е. превращается в опухолевую клетку.

Значение мембран в функционировании клеток
Плазматическая мембрана - барьер, который
окружает цитоплазму, определяя границы клетки.
содержит молекулы, которые передают сигналы с наружной стороны клетки в цитоплазму и к внутриклеточным органеллам.

Клеточные органеллы и их функции

Клеточные органеллы и их функции

Клеточные органеллы и их функции

Принципы строения мембраны
Мембрана состоит из белков и липидов
Принципы строения:
Мембраны не однородны
Многие компоненты мембран находятся в состоянии непрерывного движения
Компоненты мембран чрезвычайно ассиметричны

ЦМ различных клеток

Липосомы

Типы полипептидов БМ

Важнейшие функции мембран
Контроль состава внутриклеточной среды
Обеспечение и облегчение межклеточной и внутриклеточной передачи информации
Обеспечение образования тканей с помощью межклеточных контактов

Мембранные протеины
Интегральные протеины
Периферические протеины
Липид-ассоциированные протеины

Гликофорин А

Калиевые каналы

Движение фосфолипидов в ЦМ

Движение интегральных белков ЦМ

Функции ЦМ
эпителиальных
клеток

ЦМ эритроцитов

Механизмы прохождения веществ через мембрану

Механизмы прохождения
веществ через мембрану

Ионные каналы ЦМ

Ионные каналы

Ионные каналы

Передача сигнала в нейронах

Контроль состава внутриклеточной среды
Формирование вокруг цитоплазмы барьера, который избирательно пропускает молекулы входящие в клетку и выходящие из нее.
Белки, образующие каналы и поры принимают участие транспорте молекул через мембрану

Обеспечение межклеточной и внутриклеточной передачи информации
Перенос веществ и информации через мембраны
Трансмембранный транспорт мелких молекул
Диффузия (пассивная и облегченная)
Активный транспорт
2. Трансмембранный транспорт крупных молекул
Эндоцитоз
Экзоцитоз

Обеспечение межклеточной и внутриклеточной передачи информации
3. Передача сигналов через мембраны
Поверхностные клеточные рецепторы
а. Трансдукция сигнала (Например: глюкагон ->
сАМР)
б. Интернализация сигнала (совмещенная с эндо-
цитозом, например, рецептор ЛНП, рецептор инсулина)
Перенос к внутриклеточным рецепторам (стероидные гормоны; форма диффузии)
4. Межклеточные контакты и связи

Обеспечение межклеточной и внутриклеточной передачи информации
Поведение клетки регулируется ее непосредственным окружением и продуктами отдаленных клеток.
Прекращение деления клеток при соприкосновении с другими клетками – контактное торможение роста (density-dependent inhibition, DDI)
Мутантные клетки утрачивают способность к контактному ингибированию и продолжают расти и формировать слой за слоем. Образование опухоли.

Обеспечение межклеточной и внутриклеточной передачи информации
Гомотипичные маркеры – поверхностные молекулы клетки играющие важную роль в формировании тканей.
Понимание процессов построения и регенерации тканей.

Обеспечение образования тканей с помощью межклеточных контактов
Гликопротеины – за счет остатков сиаловых кислот сообщают всей наружной поверхности клетки общий отрицательный заряд.
Гликолипиды- формируют специфические поверхностные антигены и делают мембрану высокоиммуногенной.
Разделение клеток на «свои» и «не свои»

Связь с клиникой
1. Переливание крови
Антигены групп крови
2. Пересадка тканей
Антигены гистосовместимости - главный комплекс гистосовместимости (MHC)

Группы крови

Антигены гистосовместимости
Антигены гистосовместимости размещены на поверхности клеток
Выделяют 3 класса

Антигены гистосовместимости