Генетический контроль функции клетки
В настоящее время во многом уточнена основная структурная и функциональная организация клетки млекопитающих. Описаны особенности функционирования плазматической мембраны, ядра, ядрышек, эндоплазматического ретикулума, рибосом, лизосом, митохондрий и в меньшей степени аппарата Гольджи.
Важной особенностью всех этих образований являются ограничивающие их функционально-активные мембраны. В результате в клетке имеется не однородная внутриклеточная среда, а ряд относительно разграниченных систем с определенной концентрацией ионов, ферментов и метаболитов.
В состав клеточного ядра входит от 20 до 30% нуклеиновых кислот, большая часть которых приходится на долю ДНК и значительно меньшая — на долю РНК (5—9:1). В процессе деления клетки происходят изменения в содержании ДНК. В ядре присутствуют многочисленные энзимы. В ядрышке происходит активное образование РНК.
Митохондрии состоят преимущественно из белков и фосфатидов, но содержат определенное количество ДНК и все виды РНК. В митохондриях находится весь набор ферментов окислительного обмена, а также ферменты, расщепляющие жирные кислоты.
Рибосомы расположены в цитоплазме, в ядрышке и в митохондриях. В них происходит синтез белка. Подавляющую часть всей РНК клетки составляет рибосомная РНК, или рРНК, синтез которой происходит в ядрышке.
Лизосомы, окруженные липопротеидной мембраной, содержат группу ферментов преимущественно гидролизующего типа.
Гиалоплазма (растворимая фаза цитоплазмы) представляет собой смесь растворимых белков. Она содержит очень большое количество ферментов, в частности систему ферментов гликолиза.
Плазматическая мембрана является одной из важнейших функционирующих структур клетки, а не только ее каркасом, как считалось ранее. Клеточная мембрана представляет собой многослойную сложную структуру, в построении которой принимают участие липиды и белки. В клеточной мембране имеются многочисленные рецепторы, способные взаимодействовать с гормонами.
Одним из самых кардинальных свойств плазматической мембраны (или клетки в целом) является свойство контактного торможении деления клеток, утрата которого, как теперь считается, является одной из причин, обусловливающих неконтролируемое деление опухолевых клеток.
Согласно современным представлениям (с учетом функционального значения отдельных клеточных органелл), процессы синтеза в клетке регулируются следующим образом. Информация, необходимая для синтеза специфического белка, «записана» в форме триплетного кода в нуклеотидной последовательности структуры ДНК соответствующего гена. Эта информация в ядре клетки вначале транскрибируется («списывается») в код РНК путем действия ДНК-зависимой РНК-полимеразы (транскрипция).
В результате образуется информационная, или матричная, РНК (мРНК), которая по своей нуклеотидной последовательности комплементарна ДНК, т. е. содержит соответствующую ей закодированную информацию. Кроме информационной РНК, в ядре синтезируется транспортная РНК (тРНК), функция которой заключается в переносе активированных аминокислот в рибосомы.
Информационная РНК переносит информацию от ядра к рибосомам, которые локализованы в цитоплазме. В рибосоме триплетный код из РНК транслируется в специфическую последовательность аминокислот белка. Некоторые исследователи считают, что вся клеточная РНК — информационная, транспортная и рибосомальная — синтезируется в ядре (последняя, вероятно, в ядрышке) с помощью РНК-полимеразы, использующей одну из цепей двойной спирали ДНК.
Синтез белка происходит в рибосомах. Контроль синтеза белков клетки и прежде всего ферментов осуществляется генами, которые в основном сформированы ядерной ДНК. Однако в функциональном отношении синтез белка регулируется, как в настоящее время представляют, кооперацией генов, которые объединяются в систему оперона. Согласно этой концепции, генетическая информация закодирована в структурном гене. На матрице структурных генов происходит синтез мРНК (транскрипция). Во многих случаях определенные гены связаны друг с другом функционально, так что если один из них активен, то активны и все остальные. Это породило представление о гене-операторе, который включает и выключает активность группы взаимосвязанных генов.
Существуют, согласно этой схеме, и гены-регуляторы, подавляющие активность структурных генов. Продуктом гена-регулятора является специфический репрессор, ингибирующий активность гена-оператора. Иными словами, если ген-регулятор (ответственный за первые стадии синтеза репрессора) активен, то ген-оператор и, следовательно, структурные гены ингибированы.
Репрессорами являются белки. В этой схеме большое значение принадлежит функциональным сигналам (дерепрессорам), роль которых выполняют метаболиты и гормоны. Считается, что они аллостерически взаимодействуют с белком-репрессором. В результате последний структурно изменяется таким образом, что он уже больше не может взаимодействовать с геном-оператором. Поэтому включается механизм, обеспечивающий через структурные гены синтез мРНК, а затем и специфических белков клетки.
Хотя указанные представления были разработаны на основании изучения микроорганизмов, в значительной степени они приложимы для объяснения функционирования генетического аппарата клеток млекопитающих.
Регуляция синтеза белков (ферментов) на уровне трансляции изучена менее полно. Предполагают, что в этом процессе значительная роль принадлежит транспортным РНК. Открытие обратной транскриптазы показало, что в определенной степени в нормальной клетке возможен также синтез ДНК на РНК-матрице. Этот процесс играет существенную роль в вирусном канцерогенезе.
Следует отметить, что имеются способы избирательного ингибирования синтеза белка на генетическом уровне (транскрипции), для чего обычно используется актиномицин D и на рибосомном уровне (трансляция), что достигается действием другого антибиотика — пуромицина.
Похожие статьи:
Теги: Эндокринная система
