Эти полисомы транслируют мРНК, которая кодирует две важные группы белков. Некоторые из них являются структурной частью эндоплазматического ретикулума или комплекса Гольджи. Другие, которые должны быть посттрансляционно модифицированы и/или внутриклеточно перемещены этими органеллами.
«Омики» — эпоха большой биологии
Благодаря отмеченному наградами проекту «Геном человека» слова, заканчивающиеся на «-ом», становятся все более распространенными. Тот факт, что после генома и протеома появилось большое количество новых «измов», свидетельствует о важной тенденции в мире современной биологии. Все больше исследований проводится в больших масштабах, и результатом становится не описание отдельных молекул, а большие объемы сложно организованных данных. В этой статье мы описываем, какие новые дисциплины появились в эпоху Большой биологии и как развивалась «классическая» омика.
В 1920 году ботаник Ганс Винклер (Hans Winkler) не мог предвидеть судьбу термина «геном», который он предложил для определения набора хромосом в организме. Некоторые «приметы» существовали уже тогда, например, биом (совокупность живых организмов) и корневище (корневая система растения), в основе которых лежит греческий суффикс «-ом», означающий «имеющий природу». Но именно популяризация слова «геном» в рамках проекта «Геном человека «1 привела к тому, что бабушки и омики вошли в моду. Алекса Маккрей, эксперт по лингвистике и медицинской информации в Гарварде, комментирует: «Используя суффикс «-ом», вы показываете, что принадлежите к новой захватывающей области науки.
В последние годы ученые начали осознавать маркетинговый потенциал этого стимулирующего суффикса. Джонатан Айзен, микробиолог из Калифорнийского университета в Дэвисе, отмечает: «Люди пытаются убедить окружающих, что их область исследований является отдельной отраслью науки и заслуживает особого финансирования».2 Хотя названия некоторых омиков могут вызвать удивление (например, цилиомика, изучение различных наростов на поверхности клеток), исследователи убеждены, что некоторые из них заслуживают собственной области исследований. Однако некоторые «омики» уже прочно вошли в современную биологию — такие как геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика — в то время как другие все еще звучат непривычно, но все они отражают движение к новой «большой», интегрированной биологии. Некоторые из этих новых дисциплин описаны в данной статье.
Классические «омы»
Геном
В нашу «постгеномную» эпоху нелегко найти человека, который не слышал бы о проекте «Геном человека «1. Подведем итоги: 13 лет (1990-2003), три миллиарда нуклеотидов, три миллиарда долларов. Не все ожидания ученых оправдались (последовательность ДНК расшифрована, но не всегда понятно, что она кодирует), но технологическая революция в генетических исследованиях последнего десятилетия во многом связана с работой над геномом человека. Затем последовали другие геномы млекопитающих: 2002 — геном мыши, 2004 — геном крысы, 2005 — геном шимпанзе, 2007 — геном макаки и т.д. (в настоящее время известны последовательности геномов почти 30 млекопитающих, и это число будет продолжать расти). Кроме того, расшифровка генома человека привела к появлению специализированных геномных программ, предназначенных для описания функции определенной группы генов, связанных с функционированием определенных систем органов или развитием конкретного заболевания.
Транскриптом
Транскриптом — это совокупность всех молекул РНК, синтезируемых в клетке, органе или ткани. Интересно, что хотя транскриптомы являются продуктом экспрессии нашего генома, ни один из них не дает полного описания другого. С одной стороны, это связано с тем, что в геноме есть много так называемой «нежелательной» ДНК, которая ничего не кодирует (по крайней мере, так кажется). С другой стороны, существуют процессы, которые изменяют РНК после транскрипции: например, редактирование РНК, которое, согласно последним исследованиям, очень широко распространено и происходит в более чем 90% всех мРНК. Кроме того, не следует забывать, что в транскриптоме присутствуют не только мРНК, кодирующие белки, но и другие типы РНК, от тРНК и рРНК до различных типов малых регуляторных РНК 12.
Последовательность генома является более или менее постоянной характеристикой организма (хотя бывают и исключения — например, последовательности определенных генов в ДНК лимфоцитов индивидуума резко отличаются друг от друга). Транскрипт, с другой стороны, может быть стабильной характеристикой органа, ткани или популяции отдельных клеток, поскольку разные типы клеток выполняют разные функции и экспрессируют разные гены, а также может зависеть от условий окружающей среды и меняться со временем. По этой причине в последнее время ученые все чаще изучают транскриптомы конкретных типов клеток (например, эмбриональных стволовых клеток) или конкретных органов (например, транскриптомы человеческого мозга 13).
Протеом
Поскольку разные клетки экспрессируют разные гены в разное время, не только пул РНК различен по всему организму, но и пул белков тоже. Эта идея подтолкнула ученых к изучению протеома человека, то есть к составлению полного списка белков, присутствующих в различных клетках и тканях человека в любой момент времени. Ученые основали международную организацию Human Proteome Organisation (HUPO), которая возглавила проект Human Proteome Project (HPP), начавшийся в 2008 году (Biomolecule уже сообщала об этом событии 14). Одна из трудностей этого проекта заключается в невероятном разнообразии белков в человеческом организме: один ген может обеспечить синтез множества вариантов белка, который затем может претерпевать дополнительные химические изменения. В результате ГЭС была разделена на два проекта — С-ГЭС и Б/Д-ГЭС. В рамках первого проекта несколько групп ученых изучают белки, закодированные на определенной хромосоме (хромосому 18 изучает группа российских ученых из Института биомедицинской химии имени Ореховича в Москве). Ореховича (Институт биомедицинской химии в Москве). Во втором проекте группы белков изучаются в соответствии с их биологической ролью или участием в развитии определенных заболеваний. Пока исследования в области протеомики человека находятся на ранней стадии, исследовательские группы ищут новые подходы к анализу белков и выбору алгоритмов биоинформатики,15 но есть надежда, что первые успехи этого проекта не за горами.
Инциденталом ( incidentalome )
Термин «случайность» был впервые введен Исааком Коханом, который работал над проблемами медицинской информации в бостонской детской больнице. Хотя современных технологий, сделавших персональный геном реальностью, в то время еще не существовало, Кохане в статье 2006 года 3 опасался, что растущая доступность генетической информации вскоре приведет к сложной этической проблеме в медицине.
Необычное название происходит от разговорного термина «inciduous tumour» — бессимптомная опухоль, которая обнаруживается при осмотре пациента в связи с другими жалобами. Нечто подобное происходит при изучении генома человека — обнаруживается неожиданная информация, которую никто не искал. Например, поиск генетических причин проблем со слухом у ребенка может выявить повышенный риск сердечных заболеваний или рака в пожилом возрасте. Но нужно ли сообщать об этом пациенту, и если да, то когда?
Исследование 4, проведенное в 2012 году, показало масштабы этической проблемы. Шестнадцать генетиков были опрошены по поводу ряда мутаций, участвующих в развитии 99 распространенных наследственных заболеваний. Эти мутации можно обнаружить с помощью секвенирования всего генома, независимо от того, требуется это врачу или нет. Примерно в четверти случаев этих заболеваний и связанных с ними мутаций все 16 опрошенных специалистов согласились проинформировать своих взрослых пациентов о результатах секвенирования. Однако в случае с болезнью Хантингтона 5 — неизлечимым нейродегенеративным заболеванием — так поступили бы только 10, и еще меньше согласия по поводу некоторых других сложных заболеваний и того, что следует сообщить родителям, если у их ребенка обнаружены мутации.
Самой большой проблемой при секвенировании персонального генома является большое количество вариантов в геноме человека, роль которых в поддержании здоровья человека до сих пор неизвестна. Один из возможных способов борьбы с симптомами — позволить пациентам самим решать, какую информацию о своем геноме они хотят знать, а какую не хотят.
Текст книги «Общая биология: конспект лекций»
Эндоплазматический ретикулум (ЭПС) представляет собой систему взаимосвязанных или разделенных трубчатых каналов и уплощенных резервуаров, расположенных по всей цитоплазме клетки. Они разграничены мембранами (мембранные органеллы). Иногда водоемы имеют расширения в виде волдырей. Каналы EPS могут быть прикреплены к поверхностным или ядерным мембранам и вступать в контакт с комплексом Гольджи.
В этой системе можно провести различие между гладкой и шероховатой (гранулированной) ЭПС.
Шероховатые каналы ЭПС содержат рибосомы, напоминающие полисомы. Здесь происходит синтез белков, которые в основном производятся клеткой для экспорта (удаления из клетки), например, секреты железистых клеток. Здесь также происходит образование липидов и белков цитоплазматической мембраны и их сборка. Плотно упакованные цистерны и гранулярные каналы ЭПС образуют слоистую структуру, в которой синтез белка происходит наиболее активно. Этот участок называется эргоплазмой.
В гладких мембранах ЭПС рибосомы отсутствуют. Именно здесь происходит синтез жиров и подобных веществ (например, стероидных гормонов) и углеводов. Гладкие каналы EPS также транспортируют переработанный материал к месту упаковки гранул (область комплекса Гольджи). В клетках печени гладкий ЭПС участвует в разрушении и нейтрализации многих токсичных и фармацевтических веществ (например, барбитуратов). Трубочки и везикулы гладких ЭПС в полосатой мышце хранят ионы кальция.
Комплекс Гольджи — это упаковочный центр клетки. Он представляет собой совокупность ретикулосом (от нескольких десятков до сотен или тысяч на клетку). Ретикулосома представляет собой стопку из 3-12 уплощенных овальных везикул с маленькими пузырьками (везикулами) на концах. Более крупные расширения везикул образуют вакуоли, которые содержат запасы воды в клетке и отвечают за поддержание тургора. Ламеллярный пучок образует секреторные вакуоли, содержащие вещества, которые должны выйти из клетки. В то же время импортируемые продукты (ЭПС, митохондрии, рибосомы), поступающие в вакуоль из зоны слияния, претерпевают здесь определенные химические превращения.
Комплекс Гольджи дает начало первичным лизосомам. В ретикулосомах также синтезируются полисахариды, гликопротеины и гликолипиды, которые затем используются для формирования цитоплазматических мембран.
8. структура и функции немембранных клеточных структур.
Эта группа органоидов включает рибосомы, микротрубочки и микрофибриллы — центр клетки. Рибосомы
Он представляет собой круглую рибонуклеопротеиновую частицу. Его диаметр составляет 20-30 нм. Рибосома состоит из больших и малых субъединиц, связанных между собой в присутствии цепи мРНК (матричной или информационной РНК). Совокупность группы рибосом, соединенных молекулой мРНК, похожей на бусину, называется полисомой. Эти структуры находятся либо свободно в цитоплазме, либо прикреплены к мембранам гранулярных ЭПС (в обоих случаях они активно участвуют в синтезе белка).
Гранулированные полисомы ЭПС образуют белки, которые выделяются из клетки и используются для нужд всего организма (например, пищеварительные ферменты, белки грудного молока). Кроме того, рибосомы расположены на внутренней стороне мембран митохондрий, где они также активно участвуют в синтезе белковых молекул.
Они представляют собой трубчатые, полые структуры, лишенные мембраны. Внешний диаметр составляет 24 нм, ширина просвета — 15 нм, толщина стенки — около 5 нм. Свободные в цитоплазме, они также являются структурными элементами жгутиков, центриолей, веретен деления и ресничек. Микротрубочки строятся из стереотипных белковых субъединиц путем их полимеризации. Процессы полимеризации в каждой ячейке протекают параллельно с процессами деполимеризации. А их соотношение определяется количеством микротрубочек. Микротрубочки обладают различной устойчивостью к веществам, которые их повреждают, например, к колхицину (химическое вещество, вызывающее деполимеризацию). Функция микротрубочек:
ЛЕКЦИЯ № 5. Неклеточные формы жизни – вирусы, бактериофаги
Вирусы — это проклеточные формы жизни, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, т.е. они могут существовать и размножаться только в организме хозяина. Вирусы были открыты в 1892 году Д. И. Ивановского (он изучал вирус табачной мозаики), но их существование было доказано лишь много позже.
Многие вирусы вызывают такие заболевания, как СПИД, корь, свинка, ветрянка и оспа.
Вирусы крошечные, и многие из них могут пройти через любой фильтр. В отличие от бактерий, вирусы не могут расти в питательных средах, поскольку не обладают живыми свойствами вне организма. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллические вещества, не обладающие свойствами живых систем.
Зрелые вирусные частицы называются вирусами. На самом деле они представляют собой геном, заключенный в белковую оболочку. Эта оболочка является капсидом. Он состоит из белковых молекул, которые защищают генетический материал вируса от нуклеаз — ферментов, расщепляющих нуклеиновые кислоты.
Некоторые вирусы имеют суперкапсид, который также состоит из белков. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. Некоторые вирусы состоят из ДНК (так называемые ДНК-вирусы), другие — из РНК (РНК-вирусы).
РНК-вирусы также называют ретровирусами, поскольку для синтеза вирусных белков им требуется обратная транскрипция, которая осуществляется ферментом, называемым обратной транскриптазой (ревертазой), то есть синтез ДНК из РНК.
Когда вирус внедряется в клетку хозяина, молекула нуклеиновой кислоты отделяется от белка, так что в клетку попадает только чистый и незащищенный генетический материал. Если вирус представляет собой ДНК, то молекула ДНК встраивается в молекулу ДНК хозяина и размножается вместе с ней. В результате образуется новая вирусная ДНК, неотличимая от исходной ДНК. Все процессы в клетке замедляются, и клетка начинает работать над репликацией вируса. Поскольку вирус является облигатным паразитом, клетка-хозяин жизненно необходима, чтобы она не погибла в процессе репликации вируса. Клетка погибает только после того, как частицы вируса покидают клетку.
Если это ретровирус, то его РНК попадает в клетку хозяина. Он содержит гены, обеспечивающие обратную транскрипцию: Одноцепочечная молекула ДНК строится на матрице РНК. Комплементарная цепь строится из свободных нуклеотидов и вставляется в геном клетки-хозяина. Из полученной ДНК информация транскрибируется в молекулу и-РНК, на матрице которой затем синтезируются белки ретровируса.
Это вирусы, которые паразитируют на бактериях. Они играют важную роль в медицине и часто используются при лечении гнойных заболеваний, вызванных стафилококками и другими бактериями. Бактериофаги имеют сложную структуру. Генетический материал находится в головке бактериофага, которая покрыта белковой оболочкой (капсидом). В центре головы находится атом магния. Затем следует полый стержень, который превращается в хвостовые нити. Их функция заключается в распознавании собственного вида бактерий и осуществлении прикрепления фага к клетке. После прикрепления ДНК выдавливается внутрь бактериальной клетки, а оболочки остаются снаружи.
ЛЕКЦИЯ № 6. Строение и функции половых клеток (гамет)
1 Общие свойства половых клеток
По сравнению с другими клетками, зародышевые клетки обладают уникальными функциями. Они обеспечивают передачу наследственной информации между поколениями особей, тем самым сохраняя жизнь во времени. Зародышевые клетки являются одним из направлений клеточной дифференциации многоклеточных организмов с целью размножения. Это высокодифференцированные клетки, ядра которых содержат всю генетическую информацию, необходимую для развития нового организма.
По сравнению с соматическими клетками (эпителиальные клетки, нервные клетки, мышечные клетки), гаметы имеют определенные особенности. Первое отличие — наличие гаплоидного набора хромосом в ядре, что предсказывает воспроизведение типичной зиготы для организмов с диплоидным типом хромосомного набора (гаметы человека, например, содержат 23 хромосомы; при слиянии гамет после оплодотворения образуется зигота, содержащая 46 хромосом — нормальное число для клеток человека).
Второе отличие — необычное соотношение ядра и цитоплазмы (т.е. соотношение объема ядра и цитоплазмы). В ооцитах она уменьшается, потому что там много цитоплазмы, содержащей питательные вещества (желток) для будущего эмбриона. В сперматозоиде, с другой стороны, отношение ядра к цитоплазме высокое, поскольку объем цитоплазмы невелик (почти всю клетку занимает ядро). Этот факт согласуется с основной функцией сперматозоида — переносом генетического материала в яйцеклетку.
Третье отличие — низкий уровень метаболизма в половых клетках. Их состояние похоже на реанимацию. Мужские гаметы вообще не вступают в митоз, в то время как женские гаметы приобретают эту способность только после оплодотворения (когда они уже перестают быть гаметами и становятся зиготами) или после воздействия агента, вызывающего партеногенез.
Несмотря на множество сходств, мужские и женские половые клетки значительно отличаются друг от друга из-за различных функций, которые они выполняют.
2. структура и функция яйцеклетки
Яйцевая клетка — это большая стабильная клетка, которая снабжается питательными веществами. Яйцеклетка женщины имеет размер около 150-170 мкм (гораздо больше, чем сперматозоид мужчины, размер которого составляет около 50-70 мкм). Функции питательных веществ различны. К ним относятся:
1) компоненты, необходимые для биосинтеза белка (ферменты, рибосомы, м-РНК, т-РНК и их предшественники),
2) специфические регуляторные вещества, контролирующие все процессы, происходящие в ооците, например, агент для распада ядерной оболочки (этот процесс начинается в профазе 1 мейотического деления), агент, превращающий сперматозоид в пронуклеус перед фазой расщепления, агент, ответственный за торможение мейоза во время метафазы II, и т.д,
3) желток, который содержит белки, фосфолипиды, различные жиры и минеральные соли. Он обеспечивает питание эмбриона во время эмбрионального периода.
Яйцо может быть алектическим, содержащим незначительное количество желтка, или поли-, мезо- или олигоколитическим, в зависимости от доли желтка в яйце. Человеческое яйцо — это яйцо аллигатора. Это связано с тем, что человеческий эмбрион очень быстро переходит с гистотрофного на гематотрофное питание. Человеческое яйцо также изоселективно в плане распределения желтка: при ничтожно малом количестве желтка, желток равномерно распределен в клетке так, что ядро находится примерно в центре.
Полисом
Полирибосомальная структура, состоящая из линейного расположения рибосом, удерживаемых вместе информативной РНК.
Полирибосома (или полисома, или эргосома) — это группа рибосом, прикрепленных к молекуле мРНК в качестве «сторон» «цепи». 1 Он состоит из комплекса, состоящего из одной молекулы мРНК и двух или более рибосом, которые переводят инструкции мРНК в полипептиды. Термин «эргосома», первоначально введенный в 1963 году, был охарактеризован Джонатаном Уорнером, Полом М. Кнопфом 2 и Алексом Ричем.
Полисомы образуются на стадии элонгации, когда рибосомы и факторы элонгации формируют кодируемый полипептид. Несколько рибосом входят в кодирующую область мРНК и образуют полисому. Способность нескольких рибосом работать над одной молекулой мРНК объясняет ограниченное количество мРНК в клетке. 3 Структура полирибосом различается между прокариотическими полисомами, эукариотическими полисомами и мембраносвязанными полисомами. 1 Полисомальная активность может быть использована для измерения экспрессии генов с помощью метода, называемого полисомальным профилированием. 4
Структура править
Электронно-микроскопические методы, такие как окрашивание металлической тенью и ультратонкие срезы клеток, были первыми методами, использованными для определения структуры полисом. Развитие методов криоэлектронной микроскопии позволило улучшить разрешение изображения и привело к появлению более точного метода определения структуры. Различные структурные конфигурации полирибосом могут отражать различную трансляцию мРНК. Изучение соотношения форм полирибосом показало, что после нескольких раундов трансляции было обнаружено большое количество круглых и зигзагообразных полисом. Более длительное время трансляции приводило к образованию плотно упакованных трехмерных спиралевидных полисом. 1 Различные клетки производят различные полисомальные структуры.
Было обнаружено, что бактериальные полисомы образуют двухрядные структуры. В этой конформации рибосомы касаются друг друга через меньшие субъединицы. Эти двухрядные структуры обычно имеют «синусоидальную» (зигзагообразную) или трехмерную спиральную орбиту. В «синусоидальном» пути существует два типа контактов между малыми субъединицами — «сверху вниз» или «сверху вниз». На трехмерной спиральной орбите наблюдается только контакт сверху вниз. 1
Полисомы встречаются у архей, но об их структуре известно мало. 7
Эукариотический править
В ячейках править
Исследования in situ (внутри клетки) показали, что эукариотические полисомы имеют линейную конфигурацию. Были обнаружены плотно упакованные трехмерные спирали и плоские двухрядные полисомы с переменной упаковкой, включая контакты сверху вниз, похожие на прокариотические полисомы. Эукариотические трехмерные полирибосомы похожи на прокариотические трехмерные полирибосомы тем, что они представляют собой «плотно упакованные против часовой стрелки спирали с четырьмя рибосомами на оборот». Такая плотная упаковка может определять их функцию как регуляторов трансляции, поскольку трехмерные полирибосомы можно обнаружить в клетках саркомы с помощью флуоресцентной микроскопии. 1
Без клетки править
Атомно-силовая микроскопия, использованная в исследованиях in vitro, показала, что кольцеобразные эукариотические полисомы могут формироваться из свободной полиаденилированной мРНК в присутствии фактора инициации eIF4E, связанного с 5′-крышкой, и PABP, связанного с 3′-поли(А) хвостом. Однако это опосредованное белковым комплексом взаимодействие между кэпом и хвостом поли(А) не ограничивается циклической конформацией полисомальной мРНК. Было обнаружено, что топологически циклические полирибосомы могут успешно образовываться в системе трансляции как с бескепочной, так и с поли(А)-хвостовой мРНК, а также с бескепочной 3′-поли(А)-хвостовой мРНК. 1
Плацентарный полип
Плацентарные полипы в матке — это особый вид новообразований, которые образуются в полости органа из-за задержки частиц плацентарной ткани после родов, медицинского аборта или выкидыша. Остатки плаценты, прочно прикрепленные к стенке матки, соединяются множеством кровяных сгустков, из которых образуется полип.
Эта патология очень часто встречается у женщин, перенесших искусственный или автоматический аборт. Наличие полипов эндометрия увеличивает вероятность выкидыша в 5-8 раз. Лечение плацентарного полипа является хирургическим.
Признаки образований
Достоверной информации о причинах возникновения полипов нет. Существует несколько возможных причин очаговой гиперплазии эндометрия, в том числе:
- Гормональная дисфункция (образуется при большом количестве эстрогенов и недостатке прогестерона во второй фазе менструального цикла). Именно поэтому полипы чаще всего диагностируются в возрасте от сорока до пятидесяти лет, незадолго до наступления менопаузы;
- Инфекции — хронические воспалительные процессы в органах малого таза: перенесенные эндометриты (воспаления внутриматочной оболочки), цервициты (воспаление шейки матки), сальпингоофориты (воспаление придатков матки);
- Травмы эндометрия (аборты, диагностические выскабливания);
- Ожирение;
- Болезни щитовидной железы;
- Сахарный диабет;
- Стрессы.
Полипы и беременность
Полипы часто называют «естественным контрацептивом», поскольку при наличии полипов женщине трудно забеременеть. Новообразование не дает оплодотворенной яйцеклетке имплантироваться и, даже если это происходит, может вызвать выкидыш.
В результате у женщины диагностируется бесплодие или частые выкидыши. Поэтому рекомендуется полностью лечить аномалию во время планирования беременности, чтобы снизить риск неблагоприятных последствий.
