Какую роль играет рецептор в регуляторном механизме клетки кратко

Обновлено: 05.07.2024

Регуляторная функция белков ― осуществление белками регуляции процессов в клетке или в организме, что связано с их способностью к приёму и передаче информации. Существует несколько разновидностей белков, выполняющих регуляторную функцию:

• белки-рецепторы, воспринимающие сигнал; мембранные белки-рецепторы передают сигнал с поверхности клетки внутрь, преобразовывая его;

• сигнальные белки-гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию (многие из них, хотя далеко не все, являются белками или пептидами);

Строение и функции рецепторов клетки

• Рецепторы содержат домен, связывающий лиганд и эффекторный домен
• Модульный принцип организации рецептора позволяет использовать для самых разнообразных сигналов ограниченное число регуляторных механизмов
• Клетка может экспрессировать различные рецепторы для одного и того же лиганда
• В зависимости от эффекторного домена рецептора, один и тот же лиганд может по-разному действовать на клетку

Рецепторы обеспечивают реакцию клетки на огромное количество внеклеточных информационных молекул; поэтому клетка должна экспрессировать много разнообразных рецепторов, каждый из которых способен связываться со своим лигандом.

Вместе с тем, каждый рецептор должен быть способен инициировать ответную реакцию клетки. Таким образом, рецепторы содержат два функциональных домена: домен, связывающий лиганд, и эффекторный домен. Иногда они соответствуют определенным структурным доменам в молекулах белков.

Разделение связывающей и эффекторной функций позволяет рецепторам различных лигандов, посредством нескольких эффекторных доменов, генерировать ограниченное число эволюционно-консервативных внутриклеточных сигналов.

Фактически существует лишь ограниченное число семейств рецепторов, близких друг к другу по своему строению и сигнальным функциям.

Доменная природа рецепторов обеспечивает их другие полезные характеристики. Например, клетка может регулировать свою способность реагировать на внешний сигнал, изменяя интенсивность синтеза, деградацию рецептора, или его активность.

Наряду с этим, природа клеточного ответа обычно определяется рецептором и его эффекторным доменом, а не физико-химическими свойствами лиганда. Рисунок ниже иллюстрирует положение, согласно которому лиганд может связываться более чем с одним типом рецепторов и обеспечивать несколько типов ответа клетки и несколько разных лигандов могут действовать одинаковым образом, связываясь с функционально-близкими рецепторами.

Например, нейромедиатор ацетилхолин связывается с двумя классами рецепторов. К одному классу относятся ионные каналы, представители другого регулируют G-белки. Аналогичным образом стероидные гормоны связываются с ядерными рецепторами, которые ассоциируют с хроматином и регулируют транскрипцию, и с другими рецепторами на плазматической мембране.

Наоборот, когда множество лигандов связывается с рецепторами одного биохимического класса, они генерируют аналогичный клеточный ответ.

Например, достаточно часто клетка экспрессирует несколько разных рецепторов, стимулирующих образование внутриклеточных сигнальных молекул цАМФ.

Рецепторы состоят из двух функциональных доменов, домена, связывающего лиганд (LBD), и эффекторного домена (ED).
Такая структура предполагает, что два рецептора, реагирующие с разными лигандами (в середине),
могут инициировать одинаковый ответ за счет активации сходных эффекторных доменов.
Возможно также, что клетка экспрессирует две изоформы рецептора (слева),
которые узнают один и тот же лиганд и обеспечивают развитие различных ответных реакций за счет различных эффекторных доменов.
Не исключено, что может образоваться искусственный химерный рецептор, обладающий новыми свойствами.

Влияние рецептора на клетку также будет в существенной степени зависеть от ее биологии и состояния в каждый данный момент времени.

В зависимости от специфики внешнего сигнала, домен связывания лиганда и эффекторный домен могут разобщаться. Например, родопсины млекопитающих и беспозвоночных передают сигналы через различные эффекторные G-белки (G1 и Gq соответственно).

Другим примером служит калмодулин, небольшой регуляторный белок млекопитающих, связывающий кальций. У растений он представлен отдельным доменом в составе больших белков.

Двухдоменная природа рецепторов позволяет клетке независимо регулировать связывание лиганда и ответ на него. Сродство лиганда к рецептору и/или способность связанного лиганда генерировать сигнал может измениться за счет его ковалентной модификации или при аллостерической регуляции.

Рецепторы можно классифицировать в зависимости или от природы связываемого ими лиганда, или характера генерируемого сигнала. Сигнал на выходе, который определяется эффекторным доменом, обычно лучше всего коррелирует с общим характером и последовательностью событий его передачи.

Однако особенно ценной для понимания организации эндокринной и нервной системы и для классификации многочисленных физиологических реакций, связанных с применением лекарств, оказывается фармакологическая классификация рецепторов в соответствии с их специфичностью к лигандам.

Экспрессии рецептора, который обычно в клетке отсутствует, часто оказывается достаточно для того, чтобы она приобрела чувствительность к соответствующему лиганду. Такая чувствительность развивается часто, и клетка экспрессирует другие компоненты, необходимые для дальнейшей передачи сигнала от рецептора.

Природа ответной реации клетки определяется ее биологией. В эксперименте реакцию клетки на то или иное соединение можно индуцировать с помощью кДНК, кодирующей рецептор. Например, рецепторы клеток млекопитающих могут экспрессироваться в дрожжах, и последние приобретают чувствительность к соответствующим лигандам.

Таким образом, пользуясь этой моделью, можно обнаруживать новые химические соединения (лекарственные средства), активирующие рецепторы.

Наконец, можно создавать химерные рецепторы путем слияния домена, связывающего лиганд от одного рецептора, с эффекторным доменом другого. Подобные химерные рецепторы при присоединении лиганда могут обеспечивать принципиально новый характер ответа.

За счет генетической модификации домена, связывающего лиганд, можно создать рецепторы, чувствительные к новым лигандам. Таким образом, исследователи могут управлять функциями клетки и ее чувствительностью к совершенно чужеродным химическим соединениям.

Рецепторы группируются в относительно небольшую группу семейств,
которые характеризуются общими механизмами действия и общностью структуры.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Написать правильный и достоверный ответ;
Отвечать подробно и ясно, чтобы ответ принес наибольшую пользу;
Писать грамотно, поскольку ответы без грамматических, орфографических и пунктуационных ошибок лучше воспринимаются.

Мореплаватель — имя существительное, употребляется в мужском роде. К нему может быть несколько синонимов.
1. Моряк. Старый моряк смотрел вдаль, думая о предстоящем опасном путешествии;
2. Аргонавт. На аргонавте были старые потертые штаны, а его рубашка пропиталась запахом моря и соли;
3. Мореход. Опытный мореход знал, что на этом месте погибло уже много кораблей, ведь под водой скрывались острые скалы;
4. Морской волк. Старый морской волк был рад, ведь ему предстояло отчалить в долгое плавание.

Такие механизмы лучше изучены в клетках прокариот. Несмотря на то что прокариоты – одноклеточные организмы, их транскрипция и трансляция также регулируются, так как в один момент времени клетка может нуждаться в каком-либо белке, а в другой момент тот же самый белок может стать для неё вреден.

Рис. 45. Структура оперона и процесс его работы

Конечно, полностью понять механизмы регуляции генов даже в относительно просто организованных живых существах мы пока не в силах. А если учесть, что организм человека состоит из более чем 200 млрд клеток и в каждой из них, по последним подсчётам исследователей, содержится до 120 тыс. генов, то становятся очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека. Следует также учесть, что 99,9 % ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1 % определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальную реакцию на лекарства и многое другое.

Оперон. Структурные гены. Оператор. Репрессор.

1. Что такое оперон?

2. Какую роль играет рецептор в регуляторном механизме клетки?

3. Какова роль гормонов в регуляторном механизме клетки?

4. Сколько генов приблизительно содержится в каждой клетке человека?

5. Какие вещества в многоклеточном организме играют важнейшую роль в координации работы тысяч генов?

§ 28. Жизненный цикл клетки

1. Чем митоз отличается от мейоза?

2. Какие фазы митоза вы знаете?

Жизненный, или клеточный, цикл. Согласно клеточной теории, возникновение новых клеток происходит только путём деления предыдущей, материнской клетки. Естественно, что у подавляющего большинства клеток перед делением происходит удвоение генетического материала, т. е. ДНК. Иначе на каждую из двух новых клеток не хватит нормального для данного вида набора генов. Такие клетки либо вообще будут нежизнеспособны, либо вызовут возникновение тяжёлых заболеваний всего организма. Жизнь клетки от момента её появления в процессе деления материнской клетки и до её собственного деления, включая это деление, или гибели получила название клеточного, или жизненного, цикла. В течение этого цикла клетка растёт, видоизменяется таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме (этот процесс называется дифференцировкой клетки), затем она выполняет свои функции в течение определённого времени, по истечении которого делится, образуя новые клетки.

Обязательным компонентом каждого клеточного цикла является митотический цикл, который включает в себя подготовку клетки к процессу деления и само деление. Кроме того, в жизненный цикл входят длинные или короткие периоды покоя, когда клетка выполняет свои функции в организме. После каждого из таких периодов клетка должна перейти либо к митотическому циклу, либо к апоптозу.

Интерфаза. Подготовка клетки к делению получила название интерфазы. Она состоит из трёх периодов.

Пресинтетический период (G₁) – наиболее продолжительная часть интерфазы. Он может продолжаться у различных видов клеток от 2–3 ч до нескольких суток. Этот период следует сразу же за предшествующим делением, во время него клетка растёт, накапливая энергию и вещества для последующего удвоения ДНК.

Синтетический период (S), который обычно длится 6–10 ч, включает в себя удвоение ДНК, синтез белков, необходимых для формирования хромосом, а также увеличение количества РНК. К концу этого периода каждая хромосома уже состоит из двух идентичных хроматид, соединённых друг с другом в области центромеры. В этот же период удваиваются центриоли.

Постсинтетический период (G₂) наступает после удвоения хромосом. Он длится 2–5 ч; за это время накапливается энергия для предстоящего митоза и синтезируются белки микротрубочек, которые впоследствии образуют веретено деления. Теперь клетка может приступать к митозу.

Прежде чем перейти к описанию способов деления клетки, рассмотрим процесс удвоения ДНК, в результате которого в синтетическом периоде образуются сестринские хроматиды.

Рис. 46. Схема редупликации ДНК

Жизненный цикл клетки. Митотический цикл. Апоптоз. Интерфаза. Пресинтетический период. Синтетический период. Постсинтетический период. Репликация.

1. Что такое апоптоз?

2. Какой цикл называют митотическим?

3. Какие процессы происходят в клетке в интерфазу?

4. В какой период интерфазы происходит репликация ДНК?

Хромосомы были открыты в конце XIX в. учёным-самоучкой Вильгельмом Фридрихом Гофмейстером. Гофмейстер занимался книжной торговлей, но всё свободное время проводил у микроскопа, изучая клетки. Он опубликовал такие замечательные работы по цитологии, что в 1863 г. ему предложили стать профессором ботаники Гейдельбергского университета. Гофмейстер обнаружил, что в начале процесса деления ядро клетки распадается на мелкие частички, которые можно окрасить специальными красителями. Он назвал их хромосомами (от греч. chroma – цвет, soma – тело).

§ 29. Митоз. Амитоз

1. Клетки какой ткани – нервной или эпителиальной – делятся чаще?

2. В каких частях растения чаще всего делятся клетки?

Митоз – это процесс непрямого деления соматических клеток эукариот, в результате которого наследственный материал сначала удваивается, а затем равномерно распределяется между дочерними клетками. Он является основным способом деления клеток эукариот. Продолжительность митоза у животных клеток составляет 30–60 мин, а у растительных – 2–3 ч. Митоз включает в себя два процесса – деление ядра (кариокинез) и деление цитоплазмы (цитокинез).

Фазы митоза. Митоз подразделяют на четыре последовательные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 47).

Профаза. В ядре происходит спирализация ДНК; в микроскоп хорошо видны туго скрученные хромосомы. Заметно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, объединённых в области центромеры. Ядрышки исчезают. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Отходящие от них микротрубочки начинают образовывать веретено деления. Ядерная оболочка разрушается (см. рис. 47).

Рис. 47. Фазы митоза

Метафаза. Хромосомы располагаются таким образом, что их центромеры находятся в плоскости экватора клетки. Образуется так называемая метафазная пластинка, состоящая из хромосом. Нити веретена деления от центросом прикрепляются к центромере каждой хромосомы (см. рис. 47).

Анафаза. Каждая хромосома продольно расщепляется на две идентичные хроматиды, которые расходятся к противоположным полюсам клетки (см. рис. 47). Таким образом, за счёт идентичности дочерних хроматид у двух полюсов клетки оказывается одинаковый генетический материал: такой же, какой был в клетке до начала митоза.

Телофаза. Дочерние хромосомы деспирализуются у полюсов клетки и становятся доступными для транскрипции. Начинается синтез белков. Формируются ядерные оболочки и ядрышки. Нити веретена деления распадаются (см. рис. 47).

На этом кариокинез заканчивается, и начинается цитокинез. При этом у животных клеток в экваториальной плоскости возникает перетяжка. Она углубляется до тех пор, пока не происходит разделения двух дочерних клеток (см. рис. 47). В образовании перетяжки важную роль играют структуры цитоскелета. Растительные клетки не могут делиться таким образом, так как имеют жёсткую клеточную стенку. В них образуется внутриклеточная перегородка.

С момента разделения дочерних клеток каждая из них вступает в интерфазу нового клеточного цикла.

Биологическое значение митоза заключается в воспроизводстве клеток с количественно и качественно одинаковой генетической информацией. Это обеспечивается тем, что при репликации ДНК возникают два одинаковых набора хромосом, которые в процессе митоза равномерно распределяются по дочерним клеткам. Митоз необходим для нормального развития и роста многоклеточного организма. Он же лежит в основе процессов заживления повреждений и бесполого размножения.

Амитоз. Прямое деление клеток, или амитоз, встречается относительно редко. При амитозе ядро начинает делиться без видимых предварительных изменений. При этом не обеспечивается равномерное распределение ДНК между двумя дочерними клетками, так как при амитозе ДНК не спирализуется и хромосомы не образуются. Иногда при амитозе не происходит цитокинеза. В этом случае образуется двуядерная клетка. Если же деление цитоплазмы всё-таки произошло, то велика вероятность, что обе дочерние клетки будут неполноценными. Амитоз часто встречается в отмирающих тканях, а также в клетках опухолей.

Кариокинез. Цитокинез. Веретено деления. Амитоз.

1. Чем митоз отличается от амитоза?

2. Какие фазы выделяют в процессе митоза?

3. В какую фазу митоза образуется веретено деления?

4. Каково биологическое значение митоза?

Продолжительность митоза в клетках различных видов живых существ различается очень сильно. Например, клетки зародыша плодовой мушки дрозофилы делятся за 6 мин, а клетки эндосперма семени гороха – за 180 мин!

§ 30. Мейоз

1. В каких случаях происходит мейоз?

2. Какой набор хромосом называется диплоидным?

Рис. 48. Фазы мейоза

Механизм мейоза. Мейоз представляет собой два следующих одно за другим деления генетического материала и цитоплазмы, перед которыми репликация происходит только один раз (рис. 48). Энергия и вещества, необходимые для обоих делений мейоза, накапливаются во время интерфазы I, при этом интерфаза II практически отсутствует.

Затем пары гомологичных хромосом выстраиваются в цитоплазме, образуя метафазную пластинку. В анафазе, следующей за метафазой, к противоположным полюсам клетки расходятся гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид. После телофазы I, в результате первого деления мейоза образуются две гаплоидные клетки, каждая из которых продолжает деление. Второе деление представляет собой обычный митоз и включает в себя соответствующие стадии: интерфазу II (без процесса удвоения ДНК), профазу II, метафазу II, анафазу II и телофазу II.

Рис. 49. Схема кроссинговера: А и а, В и b – пары активных генов; 1,2,3,4 – хроматиды гомологичных хромосом

В результате мейоза из одной диплоидной клетки (2n) образуется четыре гаплоидных (1n).

Кроссинговер имеет очень важное значение. Он увеличивает генетическое разнообразие половых клеток, так как в результате этого процесса образуются хромосомы, несущие гены и отца, и матери. Таким образом, мейоз лежит в основе комбинативной изменчивости.

Мейоз. Конъюгация. Кроссинговер.

1. В чём отличие мейоза от митоза?

2. Каково биологическое значение мейоза?

3. В какую фазу мейоза происходит кроссинговер?

При кроссинговере происходит обмен идентичными участками гомологичных хромосом. Подумайте, какое значение может иметь это явление.

Краткое содержание главы

Все организмы на Земле состоят из клеток. Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы. Безъядерные организмы называются прокариотами, а имеющие ядра в своих клетках – эукариотами. Снаружи каждая клетка покрыта биологической мембраной. Внутри клетки находится цитоплазма, в которой расположены ядро (у эукариот) и другие органоиды. Ядро заполнено кариоплазмой, в которой располагаются хроматин и ядрышки. Хроматин – это ДНК, связанная с белками, из него во время деления клетки образуются хромосомы. Хромосомный набор клетки называется кариотипом. В цитоплазме клеток эукариот расположен цитоскелет – сложная система, выполняющая опорную, двигательную и транспортную функции. Важнейшие органоиды клетки: ядро, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы, митохондрии, лизосомы, пластиды. Некоторые клетки имеют органоиды движения: жгутики, реснички. Между клетками прокариот и эукариот имеются значительные различия в строении.

Вирусы представляют собой неклеточную форму жизни.

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества – АТФ. АТФ образуется за счёт энергии, выделяющейся при окислении органических веществ. Этот процесс является многоступенчатым, и наиболее эффективно кислородное расщепление, происходящее в митохондриях.

По способу получения необходимых для жизнедеятельности органических веществ все клетки делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы подразделяются на фотосинтетики и хемосинтетики, и все они способны самостоятельно синтезировать необходимые им органические вещества. Гетеротрофы получают большинство органических соединений извне. Фотосинтез – важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле. В результате фотосинтеза происходит синтез сложных органических соединений за счёт энергии излучения Солнца. За исключением хемосинтетиков, все организмы на Земле прямо или косвенно зависят от фотосинтетиков.

Важнейшим процессом, происходящим во всех клетках (за исключением клеток, утерявших ДНК в процессе развития), является синтез белка. Информация о последовательности аминокислот, составляющих первичную структуру белка, заключена в последовательности триплетных сочетаний нуклеотидов ДНК. Ген – участок ДНК, в котором закодирована информация о структуре одного белка. Транскрипция – процесс синтеза иРНК, кодирующей последовательность аминокислот белка. иРНК выходит из ядра (у эукариот) в цитоплазму, где в рибосомах происходит формирование аминокислотной цепочки белка. Этот процесс называется трансляцией. В каждой клетке – множество генов, однако клетка использует лишь строго определённую часть генетической информации, что обеспечивается наличием в генах особых механизмов, включающих или выключающих синтез того или иного белка в клетке.

Жизнь клетки от момента её возникновения в результате материнской клетки и до её собственного деления или естественной гибели называется жизненным циклом клетки или клеточным циклом. Основной способ деления клеток – митоз, включающий в себя следующие стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Промежуток между делениями клетки, в который происходит подготовка к делению, называется интерфазой, подразделяемой на три периода.

Читайте также: