Синтез білка

Найважливіші функції організму: обмін речовин, розвиток, зростання, рух здійснюються біохімічними реакціями за участю білків.
Тому в клітинах безперервно синтезуються білки: білки-ферменти, білки-гормони, скорочувальні білки, захисні білки.

Первинна структура білка (порядок розташування амінокислот у білку) закодована у молекулах ДНК. Кожен триплет (група із трьох сусідніх нуклеотидів) кодує на нитці ДНК одну певну амінокислоту з двадцяти.

Послідовність триплетів на нитці ДНК є генетичним кодом.

Знаючи послідовність триплетів на нитці ДНК, тобто генетичний код, можна встановити послідовність з'єднання амінокислот у білку.

На цей час розшифровані триплети для всіх двадцяти амінокислот.
Наприклад

Амінокислоту лізин кодує на нитці ДНК триплет ТТТ.

Амінокислоту триптофан кодує триплет АЦЦ тощо.

В одній молекулі ДНК можна закодувати кілька різних білків. Ділянку ДНК, де закодований білок, називають геном.

Ділянки ДНК відокремлюються один від одного спеціальними триплетами, які є розділовими знаками. Вони означають початок та закінчення синтезу білка.

Оскільки ДНК, у якій зберігається генетична інформація про білку не бере безпосередньої участі у синтезі білка, міститься у ядрі, а синтез білка відбувається у цитоплазмі на рибосомах, існує посередник-іРНК. іРНК зчитує генетичну інформацію про білку з ділянки ДНК та передає цю інформацію з нитки ДНК на рибосому. іРНК синтезується ділянці ДНК за принципом комплементарності.
Навпроти азотистої основи аденін (А) на нитці ДНК розташовується урацил
(У) на нитці іРНК, напроти азотистої основи тимін (Т) на нитці ДНК розташовується аденін (А) на іРНК, напроти азотистої основи гуанін (Г) на нитці ДНК розташовується цитазин (Ц).

Процес зчитування іРНК генетичної інформаціїпро білок з ділянки ДНК називається транскрипцією. Цей процес протікає як матричний синтез, Оскільки одна з ниток ДНК є матрицею.

Синтез білка відбувається на рибосомах. На нитці іРНК розташована зазвичай група рибосом. Таку групу рибосом називають полісомою.

Рибосоми просуваються нитки иРНК від триплета до триплету.
Кожен триплет на нитці іРНК кодує певну амінокислоту з двадцяти амінокислот.

Транспортні РНК приєднують певні амінокислоти (кожна тРНК приєднує одну певну амінокислоту) та приносить їх до рибосом.

При цьому антикодон кожної тРНК повинен бути комплементарний одному з триплетів (кодонів) на іРНК.
Наприклад

Антикодон АГЦ на тРНК має бути комплементарним кодону УГЦ на нитці іРНК. рРНК разом із білками –ферментами бере участь у поєднанні амінокислот друг з одним, у результаті чого на рибосомах синтезується певний білок.

Цей процес називається трансляцією.

Досягши кінцевого ділянки на нитки іРНК, рибосоми відокремлюються від нитки РНК. Відсинтезована молекула білка має первинну структуру. Потім вона набуває вторинної, третинної та четвертинної структури.

У синтезі білка беруть участь велика кількість ферментів. На синтез білка витрачається енергія АТФ.

Білок потім надходить у канали ендоплазматичної мережі, в якому транспортується до певних ділянок клітини.

Рибосома - мініфабрика з виробництва білків

Одним із найбільш складних процесів, що здійснюються живими істотами, є, мабуть, синтез білків – найважливіших структурних та функціональних «цеглинок» будь-якого організму. Справжнє розуміння молекулярних процесів, що лежать в його основі, могло б пролити світло на давні події, пов'язані з таємницею зародження самого Життя.

У всіх живих організмах, від найпростіших бактерій до людини, синтезуються білки спеціальними клітинними пристроями рибосомами. На цих унікальних фабриках відбувається утворення білкового кола з окремих амінокислот.

У клітинах, що ведуть інтенсивний білковий синтез, рибосом дуже багато: так, в одній бактеріальної клітиниміститься близько 10 тис. цих мініфабрик, що становлять до 30% загальної сухої маси клітини! У клітинах вищих організмів рибосом міститься менше - їх кількість залежить від типу тканини та рівня метаболізму клітини.

Рибосома синтезує білок з середньою швидкістю 10-20 амінокислот за секунду. Точність трансляції виключно висока - помилкове включення «неправильного» амінокислотного залишку в ланцюг білка становить у середньому одну амінокислоту на 3 тис. ланок (при середній довжині білкового ланцюга в людини в 500 амінокислотних залишків), тобто лише одна помилка на шість.

Про генетичний код

Програма, що задає послідовність амінокислотних залишків у білку, записана в геном клітини: близько півстоліття тому було встановлено, що амінокислотні послідовності всіх білків безпосередньо закодовані в ДНК за допомогою так званого генетичного коду . Згідно з цим кодом, універсальним для всіх живих організмів, кожній з двадцяти існуючих амінокислот відповідає свій кодон- трійка нуклеотидів, що є елементарними одиницями ланцюжка ДНК. Будь-який білок закодований у ДНК певною послідовністю кодонів. Ця послідовність називається геном.

Як ця генетична інформація доходить до рибосоми? На окремому гені, як на матриці, синтезується ланцюг ще однієї інформаційної молекули. рибонуклеїновоїкислоти (РНК). Цей процес копіювання гена, званий транскрипцією, здійснюється спеціальними ферментами – РНК-полімеразами.

Але РНК, отримана таким чином, ще не є матрицею для синтезу білка: з неї вирізаються певні «некодуючі» шматки нуклеотидної послідовності (процес сплайсинг).

В результаті виходить матрична РНК (мРНК), яка використовується рибосомами як програма для синтезу білка. Сам синтез, тобто. переклад генетичної інформації з мови нуклеотидної послідовності мРНК на мову амінокислотної послідовності білка називається трансляцією.

Декодування та синтез

У клітинах еукаріотів одну мРНК зазвичай транслює відразу безліч рибосом, утворюючи так звані полісоми, які можна чітко бачити за допомогою електронної мікроскопії, що дозволяє отримувати збільшення в десятки тисяч разів.

Як надходять у рибосому амінокислоти, що є будівельними цеглинками для синтезу білка? Ще в 50-х роках минулого століття були відкриті спеціальні «перевізники», що доставляють амінокислоти в рибосому, - короткі (завдовжки менше 80 нуклеотидів) транспортніРНК (ТРНК). Спеціальний фермент приєднує амінокислоту до одного з кінців тРНК, причому кожній амінокислоті відповідає певна тРНК. Синтез білка на рибосомі включає три основні стадії: початок, подовження поліпептидного ланцюга та закінчення.

Сама рибосома - одна з найскладніше організованих молекулярних машин клітини - складається з двох нерівних частин, так званих субчастинок (малої та великої). Її можна легко розділити на частини центрифугуванням при надвисоких швидкостях спеціальних пробірках з розчином сахарози, концентрація якої збільшується зверху вниз. Оскільки мала субчастинка вдвічі легша за велику, вони рухаються від верху пробірки до дна з різними швидкостями.

Мала субчастка відповідає за декодування генетичної інформації. Вона складається з високомолекулярної рибосомнийРНК (рРНК) та кількох десятків білків (близько 20 у прокаріотів і більше 30 – у еукаріотів).

Велика субчастиця, відповідальна за утворення пептидного зв'язку між амінокислотними залишками, складається з декількох рРНК: однієї високомолекулярної та однієї (або двох у разі еукаріотів) низькомолекулярної, а також кількох десятків білків (більше 30 у прокаріотів і до 50 у еукаріотів). Про масштаб діяльності рибосом можна судити хоча б за тим фактом, що рибосомна РНК становить близько 80% усієї РНК клітини, тРНК, що транспортує амінокислоти, - близько 15%, тоді як матрична РНК, яка несе інформацію про білкову послідовність, - лише 5%!

Потрібно відзначити, що рибосомні білки наділені безліччю інших, додаткових функцій, які можуть виявлятися на різних етапахжиттєдіяльності клітини. Наприклад, рибосомний білок S3 людини – один із ключових білків центру зв'язування мРНК на рибосомі – бере також участь у «ремонті» пошкоджень у ДНК (Kim та ін., 1995), бере участь у апоптозі(запрограмована загибель клітини) (Jung та ін., 2004), а також захищає від руйнування білок теплового шоку (Kim та ін., 2006).

Крім того, надто інтенсивний синтез деяких білків рибосомних може свідчити про розвиток злоякісної трансформації клітини. Наприклад, значне підвищення рівня п'яти рибосомних білків було виявлено в клітинах пухлинних товстого кишечника (Zhang та ін., 1999). Нещодавно співробітниками лабораторії структури та функції рибосом ІХБФМ СО РАН було відкрито новий механізм авторегуляції біосинтезу рибосомних білків у людини, що базується на принципі зворотного зв'язку. Некерований синтез рибосомних білків, характерний для пухлинних клітин, ймовірно, спричинений збоями саме в цьому механізмі. Подальші дослідження у цій галузі представляють особливий інтерес як для вчених, але й медиків.

Працює як «рибозим»

Дивно, але, незважаючи на мільярди років еволюції, що розділяють бактерії та людину, вторинна структура рибосомальних РНК у них мало відрізняється.

Про те, як укладена рРНК у субчастинках і яким чином вона взаємодіє з рибосомними білками, донедавна було небагато. Революційне зрушення у розумінні пристрою рибосоми на молекулярному рівністався межі нового тисячоліття, коли з допомогою рентгеноструктурного аналізу вдалося розшифрувати лише на рівні окремих атомів структуру рибосом найпростіших організмів та його модельних комплексів з мРНК і тРНК. Це дозволило зрозуміти молекулярні механізми декодування генетичної інформації та утворення зв'язків у молекулі білка.

Виявилося, що обидва найважливіші функціональні центри рибосоми - як декодуючий на малій субчастинці, так і відповідальний за синтез білкового ланцюжка на великій субчастинці - сформовані не білками, а рибосомною РНК. Тобто, рибосома працює подібно до рибозимів - незвичайних ферментів, що складаються не з білків, а з РНК.

Рибосомні білки, проте, також грають важливу рольу роботі рибосоми. Без цих білків рибосомні РНК абсолютно нездатні ні декодувати генетичну інформацію, ні каталізувати утворення пептидних зв'язків. Білки забезпечують необхідну для роботи рибосоми складне "укладання" рРНК у функціональних центрах, служать "передавачами" змін просторової структури рибосоми, необхідних у процесі роботи, а також пов'язують різні молекули, що впливають на швидкість та точність процесу білкового синтезу

Сама робоча схема білкового циклу у принципі однакова для рибосом всіх живих істот. Однак досі невідомо, наскільки схожі молекулярні механізми роботи рибосом. різних організмів. Особливо не вистачає інформації про влаштування функціональних центрів рибосом вищих організмів, які вивчені набагато гірше, ніж рибосоми найпростіших.

Це пов'язано з тим, що багато методів, успішно використаних для дослідження рибосом прокаріотів, виявилися для еукаріотів непридатними. Так, з рибосом вищих організмів не вдається отримати кристали, придатні для рентгеноструктурного аналізу, які субчастинки неможливо «зібрати» в пробірці із суміші рибосомних білків і рРНК, як це робиться у найпростіших.

Від нижчих – до вищих

І все-таки методи отримання відомостей про будову багатофункціональних центрів рибосом вищих організмів існують. Одним з таких методів є метод хімічного афінного зшивання, Розроблений 35 років тому у відділі біохімії НІОХ СО АН СРСР (нині ІХБФМ СО РАН) під керівництвом академіка Д. Г. Кнорре.

Метод заснований на використанні коротких синтетичних мРНК, що несуть у вибраному положенні хімічно активні (що «зшивають») групи, які в потрібний момент можна активувати (наприклад, опромінюючи м'яким ультрафіолетовим світлом).

Достоїнство цього методу в тому, що групу, що зшиває, можна приєднати практично до будь-якого нуклеотидного залишку мРНК і в результаті отримати детальну інформацію про його оточення на рибосомі. Використовуючи набір коротких мРНК з різним розташуванням групи, що зшиває, нам вдалося визначити рибосомні білки і нуклеотиди рРНК рибосоми людини, що утворюють канал для зчитування генетичної інформації в процесі трансляції.

Вперше експериментально вдалося показати, що всі нуклеотиди рРНК малої рибосомної частки людини, що є сусідами з кодонами мРНК, розташовані в консервативних районах вторинної структури молекули рРНК. Більше того, їх розташування збігається зі становищем відповідних нуклеотидів у вторинної структурирРНК рибосом нижчих організмів Це дозволило зробити висновок, що ця частина рибосомної РНК малої субчастинки становить еволюційно-консервативний «кор» (серцевину) рибосоми, структурно ідентичний у всіх організмів.

З іншого боку, у пристрої мРНК-зв'язуючого каналу рибосом у людини та нижчих організмів виявлено низку важливих відмінностей. Виявилося, що у вищих організмів рибосомні білки відіграють набагато більшу роль у формуванні цього каналу, ніж у прокаріотів, крім того, у цьому беруть участь також білки, які не мають «двійників» (гомологів) у нижчих організмів.

Чому ж, незважаючи на те, що функція рибосоми практично не змінилася в процесі еволюції, в організації центру декодування рибосом у вищих організмів з'явилися специфічні риси? Ймовірно, це пов'язано з більш складною та багатостадійною регуляцією білкового синтезу у еукаріотів у порівнянні з прокаріотами, у ході якої рибосомні білки мРНК-зв'язуючого каналу можуть взаємодіяти не тільки з мРНК, але й з різними факторами, що впливають на ефективність та точність трансляції. Чи це так, покажуть подальші дослідження.

В обміні речовин організму провідна роль належить білкам та нуклеїновим кислотам. Білкові речовини є основою всіх життєво важливих структур клітини, вони входять до складу цитоплазми. Білки мають надзвичайно високу реакційною здатністю. Вони наділені каталітичними функціями, тобто є ферментами, тому білки визначають напрямок, швидкість та найтіснішу узгодженість, сполученість всіх реакцій обміну речовин.

Рис. 13 А. Схема синтезу білка в еукаріотній клітині.

Рис. 13 Б. Схема синтезу білка у прокаріотній клітині.

Провідна роль білків у явищах життя пов'язана з багатством та різноманітністю їх хімічних функцій, з винятковою здатністю до різних перетворень та взаємодій з іншими простими та складними речовинами, що входять до складу цитоплазми

Нуклеїнові кислоти входять до складу найважливішого органу клітини - ядра, а також цитоплазми, рибосом, мітохондрій і т. д. Нуклеїнові кислоти відіграють важливу, першорядну роль у спадковості, мінливості організму, у синтезі білка.

Процес синтезу білка є складним багатоступінчастим процесом. Здійснюємося він у спеціальних органелах - рибосомах. У клітці міститься велика кількістьрибосом. Наприклад, у кишкової палички їх близько 20 000.

Яким чином відбувається синтез білка у рибосомах?

Молекули білків по суті є поліпептидні ланцюжки, складені з окремих амінокислот. Але амінокислоти є недостатньо активними, щоб з'єднатися між собою самостійно. Тому, перш ніж з'єднатися один з одним та утворити молекулу білка, амінокислоти мають активуватися. Ця активація відбувається під впливом спеціальних ферментів. Причому кожна амінокислота має свій, специфічно налаштований її у фермент.

Джерелом енергії для цього (як і для багатьох процесів у клітині) є аденозинтрифосфат (АТФ).

В результаті активування амінокислота стає більш лабільним і під дією того ж ферменту зв'язується з т-РНК.

Важливим є те, що кожній амінокислоті відповідає суворо специфічна т-РНК. Вона знаходить "свою" амінокислоту і переносить її в рибосому. Тому така РНК і дістала назву транспортної.

Отже, рибосому надходять різні активовані амінокислоти, з'єднані зі своїми т-РНК. Рибосома є хіба що конвеєр для збирання ланцюжка білка з які у нього різних амінокислот (рис. 13 Аі Б).

Виникає питання: чого залежить порядок зв'язування між собою окремих амінокислот? Адже саме цей порядок і визначає, який білок буде синтезовано в рибосомі, тому що від розташування амінокислот в білку залежить його специфіка. У клітині міститься понад 2000 різних за будовою та властивостями специфічних білків.

Виявляється, що одночасно з т-РНК, на якій «сидить» своя амінокислота, рибосому надходить «сигнал» від ДНК, що міститься в ядрі. Відповідно до цього сигналу в рибосомі синтезується той чи інший білок, той або інший фермент (оскільки ферменти є білками).

Напрямний вплив ДНК на синтез білка здійснюється не безпосередньо, а за допомогою особливого посередника тієї форми РНК, яка отримала назву матричної або інформаційної РНК (м-РНК або і-РНК).

Інформаційна РНК синтезується в ядрі під впливом ДНК, тому її відбиває склад ДНК. Молекула РНК є як би зліпок з форми ДНК.

Синтезована і-РНК надходить у рибосому і як би передає цій структурі план - в якому порядку повинні з'єднуватися один з одним активовані амінокислоти, що надійшли в рибосому, щоб синтезувався певний білок. Інакше генетична інформація, закодована в ДНК, передається на і-РНК і далі на білок.

Молекула інформаційної РНК надходить у рибосому і ніби прошиває її. Той її відрізок, що знаходиться зараз на рибосомі, визначений до доном (триплет), взаємодіє абсолютно спеціально з відповідним до нього за будовою триплетом (антикодоном) на транспортній РНК, яка принесла в рибосому амінокислоту. Транспортна РНК зі своєю амінокислотою підходить до певного кодону і-РНК та з'єднується з ним; до наступної, сусідній ділянці і-РНК приєднується інша т-РНК з іншою амінокислотою і так далі, доки не буде рахований весь ланцюжок і-РНК і поки не нанижуться всі амінокислоти у відповідному порядку, утворюючи молекулу білка. А т-РНК, яка доставила амінокислоту до певної ділянки поліпептидного ланцюга, звільняється від своєї амінокислоти та виходить із рибосоми. Потім знову в цитоплазмі до неї може приєднатися потрібна амінокислота і вона знову перенесе її в рибосому. У процесі синтезу білка бере участь одночасно одна, а кілька рибосом - полирибосомы.

Основні етапи передачі генетичної інформації: синтез на ДНК як на матриці і-РНК (транскрипція) та синтез у рибосомах поліпептидного ланцюга за програмою, що міститься в і-РНК (трансляція), універсальні для всіх живих істот. Однак тимчасові та просторові взаємини цих процесів розрізняються у прої еукаріотів.

У організмів, що мають справжнє ядро ​​(тварини, рослини), транскрипція і трансляція суворо розділені в просторі і часі: синтез різних РНК відбувається в ядрі, після чого молекули РНК повинні залишити межі ядра, пройшовши через ядерну мембрану (рис. 13 А). Потім у цитоплазмі РНК транспортуються до місця синтезу білка – рибосом. Лише після цього наступає наступний етап – трансляція.

У бактерій, ядерна речовина яких не відділена від цитоплазми мембраною, транскрипція та трансляція йдуть одночасно (рис. 13 Б).

Сучасні схеми, що ілюструють роботу генів, побудовані виходячи з логічного аналізу експериментальних даних, отриманих з допомогою біохімічних і генетичних методів. Застосування тонких електронно-мікроскопічних методів дозволяє буквально побачити роботу спадкового апарату клітини. Останнім часом отримані електронно-мікроскопічні знімки, на яких видно, як на матриці бактеріальної ДНК, у тих ділянках, де до ДНК прикріплені молекули РНК-полімерази (ферменту, що каталізує транскрипцію ДНК РНК), відбувається синтез молекул і-РНК. Нитки і-РНК, розташовані перпендикулярно лінійній молекулі ДНК, просуваються вздовж матриці і збільшуються в довжині. У міру подовження ниток РНК до них приєднуються рибосоми, які, просуваючись, у свою чергу, вздовж нитки РНК до ДНК, ведуть синтез білка.

З усього сказаного випливає, що місцем синтезу білків та всіх ферментів у клітині є рибосоми. Образно кажучи, це «фабрики» білка, як складальний цех, куди надходять усі матеріали, необхідні для збирання поліпептидного ланцюжка білка з амінокислот. Природа синтезованого білка залежить від будови і-РНК, від порядку розташування в ній нуклеоїдів, а будова і-РНК відображає будову ДНК, так що в кінцевому підсумку специфічна будова білка, тобто порядок розташування в ньому різних амінокислот, залежить від порядку розташування нуклеоїдів у ДНК, від будови ДНК.

Викладена теорія біосинтезу білка одержала назву матричної теорії. Матричною ця теорія називається оскільки нуклеїнові кислоти грають хіба що роль матриць, у яких записана вся інформація щодо послідовності амінокислотних залишків у молекулі білка.

Створення матричної теорії біосинтезу білка та розшифровка амінокислотного коду є найбільшим науковим досягненням XX століття, найважливішим кроком по дорозі до з'ясування молекулярного механізму спадковості.

1. 1. МЕТА ЗАНЯТТЯ: вивчити будову інтерфазного ядра у фіксованих препаратах. Розглянути особливості будови ядер клітин із різною функціональною активністю. Основними компонентами ядра є: ядерна оболонка (каріолема), хроматин, ядерце, ядерний сік. При світловій мікроскопії ядерна оболонка представляє чітку, окреслену з боку ядра та цитоплазми лінію. При розгляді схеми ультрамікроскопічної будови ядра слід звернути увагу на особливості будови каріолеми, на зв'язок її мембран з ендоплазматичною мережею цитоплазми. Розібратися в морфологічній характеристикі хроматину та його хімічному складі. Хроматин в ядрі може бути у вигляді глибок – конденсований хроматин або бути розпиленим – дисперсний хроматин. Різний стан хроматину є показником біосинтетичної активності клітини. Клітини, що активно синтезують білок, мають ядро ​​з дисперсним хроматином і добре розвиненим ядерцем. У ядрах клітин, що не синтезують білок, конденсований хроматин, ядерця погано помітні.
2. 2. Контрольні питання: 1. Ядро. Поняття про інтерфазне ядро. Структурні компонентиядра за даними світлової та електронної мікроскопії: ядерна оболонка, хроматин, ядерце, ядерний сік. Значення та функції ядра у життєдіяльності клітини. 2. Ядерно-цитоплазматичні співвідношення у клітинах із різним рівнем метаболізму. 3. Структура ядерної оболонки при СМ та ЕМ. Молекулярна організація та функціональне значення ядерної ламіни. 4. Ядерна пора та ядерний поровий комплекс. Участь у ядерному імпорті та експорті речовин. 5. Хроматин інтерфазного ядра. Еухроматин та гетерохроматин. Хроматин як показник біосинтетичної активності клітини. 6. Молекулярна організаціяДНК у хромосомах. Рівні укладання хроматину. Роль гістонових білків у забезпеченні структури хроматину та реалізації генетичної інформації. 7. Ядрішко. Структура ядерця при СМ та ЕМ. Основні компоненти ядерця. Роль ядерця в синтезі рРНК та утворенні рибосом. 8. Синтез та транспорт біополімерів у клітині. Клітинний конвеєр під час синтезу білка. Морфологічна характеристика клітини, що синтезує білки. 9. Клітинний конвеєр при синтезі вуглеводів та ліпідів. Морфологічна характеристика клітини, що синтезує вуглеводи та ліпіди.
3. 3. Препарат 1. структури ядра. Яєчник. Забарвлення гематоксилін-еозином. Під малим збільшенням зробити загальний огляд мікропрепарату, знайти зростаючий фолікул з яйцеклітиною. Під великим збільшенням знайти велику округлу клітину – яйцеклітину та розглянути структуру ядра. Звернути увагу на ядерну оболонку, ядерце, стан хроматину. Намалювати яйцеклітину та позначити структури інтерфазного ядра. Вивчити електроннограму ядра. Замалювати будову каріолеми та ядерного порового комплексу.
4. 4. Препарат 1. структури ядра. Яєчник. Яйцеклітина. Забарвлення гематоксилін-еозином
5. 5. Препарат 2. Підшлункова залоза. Забарвлення гематоксилін-еозином. Клітина, що синтезує білок. Під малим збільшенням зробити загальний огляд мікропрепарату та знайти екзокринну частину підшлункової залози. Під великим збільшенням розглянути одну клітину, звернувши увагу на наявність у ядрі ядерця та еухроматину, відзначити базофілію цитоплазми у базальній частині клітини та оксифілію в апікальній.
6. 6. Препарат 2. Підшлункова залоза. Забарвлення гематоксилін-еозином. Клітини, що синтезують білки
7. 7. Препарат 3. Печінка. Глікоген у клітинах печінки. ШІК-реакція. Клітина, що синтезує вуглеводи. Під малим збільшенням зробити загальний огляд мікропрепарату та знайти групу гепатоцитів. Під великим збільшенням розглянути у цитоплазмі гепатоциту глибини глікогену червоно-фіолетового кольору.
8. 8. Препарат 3. Печінка. Глікоген у клітинах печінки. ШІК-реакція. Клітина, що синтезує вуглеводи.
9. 9. Препарат 4. Ліпідні включення у клітинах печінки. Забарвлення осмієвої кислоти. Клітина, що синтезує ліпіди. Під малим збільшенням зробити загальний огляд мікропрепарату та знайти групу гепатоцитів. Під великим збільшенням розглянути цитоплазму гепатоцита, звернувши увагу на краплі ліпідів, забарвлені у чорний колір.
10. 10. Препарат 4. Ліпідні включення у клітинах печінки. Забарвлення осмієвої кислоти. Клітини, що синтезують ліпіди.

Клітини еукаріотів мають розвинену систему внутрішніх структур, оточених мембранами, які називаються органелами

Кожна органела має унікальний склад (гліко)протеїнів і (гліко)ліпідів і виконує певний набір функцій

Кожна органела містить один або кілька компартментів, обмежених мембранами

Органели виконують свої функції автономно або у групах

При ендоцитозі та екзоцитозі білки (білки карго), що переносяться, транспортуються між компартментами через транспортні везикули, які утворюються відпочковуванням від поверхні органели і потім зливаються з мембраною-мішенню акцепторного компартменту.

Транспортні везикули можуть вибірково включати матеріал, що переноситься, і виключати ті компоненти, які повинні залишатися в органелі, з якої везикули утворилися.

Селективне включення у везикули забезпечується сигналами, присутніми у первинній структурі білка або у вуглеводній структурі

Транспортні везикули містять білки, які спрямовують їх до місць призначення та зв'язування. Надалі везикули зливаються з акцепторною ділянкою мембрани.

Одною з характерних рис еукаріотичної клітиниє присутність у ній розвиненої системи внутрішніх структур, оточених мембранами, які називаються органелами. Для клітин еукаріотів характерна присутність мембран, що розділяють їх внутрішній вміст на функціонально-різні компартменти, тоді як усі клітини живих організмів мають зовнішню двошарову мембрану.

Одна з переваг компартменталізаціїполягає в тому, що клітина має можливість створювати необхідне оточення для виконання функцій, що вимагають певного хімічного складусередовища.

На проілюстровано будову та різноманітність органел, що мають мембрану, які зазвичай присутні в еукаріотичній клітині (в даному випадку в типовій тваринній клітині). Кожна органела містить один чи кілька компартментів. Наприклад, ендоплазматичний ретикулум (ЕПР) є одним компартментом; навпаки, апарат Гольджі складається з кількох оточених мембранами компартментів, які мають певні біохімічні функції.

Для мітохондрії характерні два компартменту, матрикс та міжмембранний простір, що містять набір певних макромолекул.

Цитозоль може вважатися одним компартментом, обмеженим плазматичною мембраною і які знаходяться в контакті із зовнішньою частиною мембрани всіх внутрішньоклітинних органел. Цитоплазма складається з цитозолю та органел. Аналогічним чином, нуклеоплазма обмежена внутрішньою ядерною мембраною.

Кожна органела містить унікальний набір білків(як мембранних, і розчинних), ліпідів та інших молекул, необхідні виконання її функцій. Деякі ліпіди та білки ковалентно пов'язані з олігосахаридами. У міру зростання та поділу клітин повинні синтезуватися їх нові компоненти, необхідні для зростання, поділу та остаточного розподілу внутрішньоклітинного матеріалу між двома дочірніми клітинами. При диференціюванні та розвитку клітини, а також у відповідь на вплив таких зовнішніх факторів, як стрес, відбувається синтез компонентів органел.

Проте компонентиякий завжди утворюються у тій органелі, де вони функціонують. Зазвичай різні макромолекули утворюються на сайтах, спеціально призначених їх синтезу. Наприклад, більшість білків утворюються на рибосомах цитозолю, який є оптимальним середовищем для функціонування рибосом та синтезу білка.

Виникає таке питання: яким чином компоненти органелпотрапляють у місця їхнього функціонування? З початку 1970-х років. це питання було центральним у клітинній біології. Як випливає з малюнку нижче, існує принаймні вісім основних типів органел, кожна з яких складається з сотень або тисяч різних білків та ліпідів.

Всі ці молекули повинні транспортуватисяв органели, у яких виконують свої функції. Більшість утворюється в цитозолі, і тому виникає питання: як вони доставляються у відповідні органели або ж виходять з клітини, якщо належать до білків, що секретуються? У багатьох випадках відповіддю це питання служить наявність у молекулі білка спеціальних сигналів, зазвичай званих сигналами сортування чи сигналами адресування. Вони є короткі послідовності амінокислот, присутні у первинній структурі тих білків, які мають бути локалізовані над цитозоле. Кожна адреса призначення білкової молекули пов'язана з однією або декількома різними видамисигналів.

Сигнали сортування дізнаються спеціальними системами клітиниу міру просування білка до призначення. Як показано на малюнку нижче, існує два основних транспортних механізми: екзоцитоз (або секреторний шлях) і ендоцитоз, при якому матеріал (карго) транспортується з клітини та клітину відповідно.

Для всіх новостворених білків, призначених для секреції з клітини, або для надходження в органели шляхом екзо- або ендоцитозу на мембрані ЕПР існує загальна точкавходу. Сигналами до транслокації білка через мембрану ЕПР є сигнальні послідовності. У цьому розділі ми розглянемо сигнали сортування, які спрямовують білки до місць призначення.

Перебуваючи в ЕПРБілок не може транспортуватися через цитоплазму, і єдиним шляхом його попадання в інші органели, оточені мембранами, є везикулярний транспорт. Транспортні везикули в основному складаються з білків та ліпідів і, як то кажуть, «відпочковуються» від мембрани. Після того як везикула відбрунькувалася, вона зливається з наступним компартментом, який знаходиться на її шляху. Компартмент, із якого виникла везикула, зазвичай називається донорський компартмент (або вихідний компартмент), а компартмент призначення (або цільової) зазвичай називається акцепторний компартмент.

Транспортні везикулипрямим або непрямим шляхом переносять білки з ЕПР до решти компартментів на шляху екзо-або ендоцитозу. При ендоцитозі везикули утворюються на плазматичній мембрані. Ці везикули транспортують укладений у яких матеріал ендосоми, у тому числі утворюються інші везикули, переносять матеріал інші компартменти. Таким чином, склад транспортних везикул відрізняється залежно від їхнього походження та компартменту призначення.

Везикулярний транспортстворює проблему для органел, із якими обмінюються везикули. Для нормального функціонування має підтримуватись певний внутрішній склад органел. Однак як цього можна досягти, якщо везикули весь час змінюють цей склад? Масштаб проблеми стає очевидним при розрахунку ефективності транспорту. На шляху ендоцитозу кількість мембранних білків і ліпідів, еквівалентна їх загальному вмісту в плазматичній мембрані, здатна транспортуватися через органели менш ніж за годину. Якщо порівняти з часом, необхідним для синтезу нової органели (зазвичай один день), така швидкість вражає.

Рішення цієї проблемипов'язане із селективністю транспортного процесу. При відпочковуванні у везикулу проходять ті білки, які необхідно транспортувати. Резидентні білки органели у везикулу не потрапляють. Везикула утримує ці білки і передає їх наступній везикулі, що знаходиться на шляху. Для підтримки гомеостазу між органелами, за своєю природою, везикулярний транспорт завжди повинен бути двонаправленим, тобто компоненти донорського компартменту не повинні безперервно переноситися в акцепторний компартмент.