Где находятся в клетке белки: Где расположен запас белков в растительной клетке

Что такое ДНК, полезная информация

Главная

Генетические исследования

ДНК

ДНК (сокращение от дезоксирибонуклеиновая кислота) – это одна из важнейших для живых существ молекула, в которой содержится вся генетическая информация о них. Если представить, что живое существо – это какой-нибудь сложный прибор, например, магнитофон, то понять, что такое ДНК, можно сравнив его с пленкой, на которой записаны инструкции по созданию магнитофона и его функционированию.

Молекулы ДНК есть в каждой клетке нашего организма, и они хранятся в ядре (существует еще одна внеядерная разновидность ДНК –митохондриальная, она кратко описана в словаре). Если достать ДНК всего лишь из одной клетки и вытянуть, то длина полученной нити составит около двух метров. При этом размеры клеточного ядра не превышают шести микрометров (микрометр – это одна миллионная часть метра). ДНК помещается в ядро за счет того, что она многократно свернута и уложена в компактные тельца – хромосомы.

У человека в ядре каждой клетки хранятся 23 пары хромосом – один набор приходит от отца, второй – от матери. Исключением являются половые клетки – яйцеклетка и сперматозоид, которые несут только половину всех хромосом. Такое «сокращение» необходимо, чтобы при слиянии сперматозоида и яйцеклетки образовался бы организм с нормальным набором хромосом.

В каждой клетке есть специальные системы, которые считывают заложенную в ДНК информацию и на ее основе создают новые белки (белки выполняют в клетке огромное число функций – от строительства до регуляции прочтения заложенных в ДНК инструкций). Хранящиеся в ДНК «послания» особым образом закодированы. Код ДНК состоит из четырех «символов», или нуклеотидов. Эти четыре разновидности нуклеотидов обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин).

В нитях ДНК нуклеотиды соединены один за другим в длинные цепочки. В итоге закодированная информация выглядит примерно так: ААТГЦГТААГЦЦ… и так далее. Для непосвященного человека подобный набор букв кажется бессмысленным, однако клеточные «шифровальщики» точно знают, как на основе заложенной в ДНК информации синтезировать нужные клетке белки.

«Шифровальщики» узнают определенные последовательности нуклеотидов, называемые генами. Каждый ген кодирует один белок. Именно поэтому гены называют элементарными единицами наследственности.

Если спросить человека на улице, что приходит ему в голову, когда он слышит слово «ДНК», то, скорее всего, ответом будет «двойная спираль». У нас пока о двойной спирали не было ни слова. Что же это такое, и почему за ее открытие американские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине?

Двойная спираль – это пространственная структура, в форме которой существует ДНК. Дело в том, что нити ДНК «не любят» быть поодиночке. У каждой нити есть напарница, с которой они переплетаются на всем своем протяжении. В итоге как раз и образуется двойная спираль. Нити ДНК объединяются в пары не просто так. Во-первых, двойная спираль значительно более стабильна, чем одиночная нить. Во-вторых, сдвоенные цепочки ДНК не путаются, поэтому считывание информации проходит без проблем.

В-третьих, вторая цепь необходима в качестве гарантии сохранности информации. Нити ДНК соединяются в пары случайным образом, а, как говорят ученые, по принципу комплементарности. Это означает, что напротив каждого нуклеотида в одной нити всегда находится строго определенный нуклеотид из второй нити. Парой для А всегда выступает Т, а напарником Г является Ц.

Эта особенность ДНК позволяет однозначно восстановить последовательность нити, имея на руках ее комплементарную копию. Если ДНК каким-либо образом повреждается и теряются кусочки одной из нитей, специальные белки заполняют возникшие бреши, используя в качестве матрицы для синтеза новой нити ее напарницу.

Существует еще один критически важный для клетки процесс, который требует существования двойной спирали. Это деление клеток. Перед тем как удвоиться, клетка синтезирует вторую копию всей своей ДНК. Это происходит так: двойные спирали расплетаются, и специальные белки создают новые комплементарные копии к каждой из оставшихся поодиночке нитей. В итоге снова образуются двойные спирали, но их уже вдвое больше, чем было исходно. Когда клетка разделяется надвое, каждая половинка получает по одному полному комплекту ДНК.

Механизмы синтеза новых цепей работают очень точно, однако иногда происходят сбои, и на месте, скажем, нуклеотида А появляется нуклеотид Г. Причем ошибка может произойти не только в одном нуклеотиде: из цепи ДНК могут выпасть (или появиться) сразу несколько «букв». Ошибки размером в один нуклеотид получили название однонуклеотидных полиморфизмов, ошибки большего размера специального названия не имеют и объединяются под термином «мутации» (сюда входят и однонуклеотидные полиморфизмы).

Мутации могут никак не сказываться на работе клетки (например, если они произошли между генами), могут улучшить ее работу, а могут вызвать серьезный сбой. Последнее часто происходит в том случае, если из-за мутаций нарушается синтез того или иного белка. Именно мутации являются причиной многих наследственных заболеваний.

 

Органические вещества клетки. Белки — что это, определение и ответ

Живая природа отличается от неживой содержанием химических элементов – органогенов, которые составляют около 98 % массы клеток. Объединяясь вместе, химические элементы образуют различные неорганические и органические соединения.

Важные термины:

Полимер – это сложные вещества, молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев.

Мономер – повторяющееся звено полимера.

Конформация – пространственная структура молекулы

Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10-12% от общей массы клетки), так и по значению.

Белки – линейные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит:

● аминогруппа (-NH₂), обладающая основными свойствами;

● карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства.

Строение аминокислоты

Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной.

Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Несмотря на скудность выбора аминокислот (всего 20 штук) огромное разнообразие белков обеспечивается за счет различных комбинаций этих аминокислот друг с другом.

Уровни организации белков

Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы – конформации, которые представляют собой четыре уровня их организации:

Первичная структура – полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно и соединены ковалентно-пептидными связями.

Т. к. аминокислоты – заряженные молекулы, то долго в виде простой линейной молекулы белок существовать не может и образует следующий уровень структуры.

Вторичная – полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α-спираль или β-складчатый слой.

Удерживается структура уже не такими устойчивыми, как пептидные, водородными связями.

Третичная представляет из себя глобулу.

За формирование глобул отвечают слабые нековалентные связи (водородные, гидрофобные, ионные). Иногда для лучшей стабильности могут образовываться ковалентные связи между SH-группами аминокислоты цистеина (S-S-связи). Количество аминокислот, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой.

! Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры.

Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

Четвертичная структура – несколько соединенных вместе глобул.

Благодаря объединению нескольких глобул вместе появляется возможность включать в молекулу не белковые структуры, из-за чего по составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные.

• Простые белки состоят только из аминокислот.

• Сложные белки включают в себя аминокислоты и ещё какое-нибудь вещество. Например, это могут быть нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).

Не все белки имеют четвертичную структуру. Яркий пример белка с четвертичной структурой – гемоглобин. Это комплекс из четырех глобул (=субъединиц), и только в такой форме он способен присоединять и транспортировать О₂.

Четвертичная структура гемоглобина

Функции белков

● Одна из важнейших – строительная функция (структурная): белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур.

● Исключительно значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 и 100 миллионов раз. Иногда для их работы нужны коферменты (либо металлы, либо коферменты – витамины).

● Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками (актин, миозин). Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др.

● Регуляторная. Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).

● Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет кислород) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела.

● Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества.

● Рецепторная. На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к изменению обмена веществ в клетке. Таким образом гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.

● При недостаточном питании белки выступают в качестве источников энергии. При полном расщеплении 1г белков выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал).

Особые свойства белков

Денатурация – потеря белком своей нативной (естественной) пространственной структуры.

Пример: свертывание белка яйца при его варке.

Причины:

• повышенные температуры,

• изменение кислотности до экстремальных значений,

• добавление гидрофобных агентов,

• увеличение концентрации солей.

Денатурация бывает обратимой и необратимой. В случае обратимой денатурации (разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур) при возвращении в исходные (нативные) условия пространственная структура белка восстанавливается. При варке яйца мы имеем дело с необратимой денатурацией (разрушение первичной структуры) когда исходную (нативную) структуру восстановить уже практически невозможно.

Где твои белки? Обзор с помощью Cell Atlas

Человеческое тело является результатом взаимодействия триллионов клеток друг с другом. Ранние биологи описывали клетки как простые мембранные мешочки, содержащие жидкость и несколько плавающих частиц.

Сегодня мы знаем, что клетки бесконечно сложнее. Прочтите здесь об Атласе клеток, входящем в состав Атласа белков человека, чтобы получить представление о пространственно-временном распределении белков в клетках человека.

Каждый белок имеет свое место во времени и пространстве

Наши знания о клеточной структуре значительно изменились за эти годы. Мы знаем, что для правильного функционирования каждой клетке требуется, чтобы все ее различные белки выполняли определенную задачу в определенном компартменте. Эукариотические клетки содержат мембраносвязанное ядро ​​и многочисленные окруженные мембраной органеллы (например, митохондрии, лизосомы, аппарат Гольджи), отсутствующие у прокариот.

Органеллы представляют собой сложное сочетание волокон и сотен крошечных, но различных структур. Каждая органелла представляет собой специализированную субъединицу внутри клетки, предназначенную для выполнения определенной функции. Расположение белка и тип белка в конкретной органелле предоставляют информацию о функции органеллы.

На клеточном уровне функция белков состоит в том, чтобы катализировать, проводить и контролировать большинство процессов в определенное время и в определенном месте. Субклеточная локализация белка помогает определить функцию белка, поскольку разные органеллы предлагают различные среды, содержащие множество физиологических условий и партнеров по взаимодействию. Следовательно, неправильная локализация белков часто связана с клеточной дисфункцией и заболеваниями ^1,2 .

Атлас клеток, часть Атласа белков человека

В 2016 году в рамках шведского проекта Human Protein Atlas был запущен Cell Atlas: база данных для изучения деталей отдельных генов и белков в 64 клеточных линиях человека, таким образом охватывающая различные клеточные популяции в различных органах и тканях человеческого тела. Cell Atlas предоставляет информацию о пространственно-временном распределении белков в каждой органелле с высоким разрешением. Это субклеточная карта протеома человека, основанная на более чем 80 000 конфокальных иммунофлуоресцентных изображений, созданная для облегчения функционального исследования отдельных белков и их роли в биологии и заболеваниях человека.

В клеточном атласе субклеточная локализация более 12 000 белков картирована на уровне одной клетки до 33 органелл, что позволяет определить протеомы 13 основных органелл.

Данные о локализации белков получены в результате профилирования на основе антител с помощью иммунофлуоресцентной (ICC-IF) конфокальной микроскопии, а экспрессия мРНК всех генов человека охарактеризована с помощью глубокого секвенирования РНК ^3-5 .

Здесь мы выбрали панель мышиных моноклональных антител для использования в качестве маркеров для картирования, характеристики и выявления роли белка в органеллах.

Рисунок 1 . Cell Atlas предоставляет информацию о пространственно-временном распределении белка в каждой органелле с высоким разрешением. Вверху: Органеллы в Атласе клеток можно выделить и выбрать, наведя на них курсор. Нажав на каждую структуру, вы можете прочитать о протеоме этой конкретной органеллы. Внизу: различных анализов были проведены для обнаружения и измерения каждого белка. Миниатюрные черные ящики кликабельны и связаны напрямую с соответствующим разделом. Композиция изображения из Атласа белков человека.

 

Ядерные, цитоплазматические и секреторные органеллы

Простейшее описание клетки состоит в том, что она состоит из трех частей: ядра, цитоплазмы и клеточной мембраны. Органеллы принадлежат к одной из этих частей: ядерные органеллы, цитоплазматические органеллы и секреторные органеллы (рис. 2). Каждый из них имеет определенную структуру и определенную роль в функции клетки.

Рис. 2. Изображение из Атласа белков человека. Протеом органелл: 34 субклеточные структуры. Страницы протеома органелл — превосходный ресурс, где вы можете найти: субклеточную локализацию белков, распределение белков в клетках человека, все данные проверки и местоположения антител для Атласа клеток, а также соответствующие ссылки и публикации. Эти главы могут служить образовательным ресурсом, а также отправной точкой для более глубокого изучения увлекательной пространственно-временной сложности транскриптомов и протеомов клеток человека.

Знаете ли вы, какие белки экспрессируются в каждой органелле?

Здесь вы можете найти основную информацию о:

• Структура и функция каждой органеллы.

• Субклеточные структуры, классифицированные в Атласе клеток.

• Предсказание и уровень экспрессии всех белков в конкретной органелле.

• Сотни красивых примеров иммунофлуоресцентных изображений.

• Ссылки на ресурсы и публикации.

 

Распределение белков в клетке человека

Атлас клеток показывает, что примерно половина всех белков локализуется в нескольких компартментах и ​​что многие белки демонстрируют межклеточные вариации с точки зрения содержания белка или пространственного распределения. Распределение по органеллам всех аннотаций для 12073 белков, локализованных по крайней мере в одной органелле, представлено в качестве примера на рисунке 3.

График отсортирован по метакомпартментам: цитоплазме, ядру и секреторному аппарату соответственно. Вы можете найти график ниже на этой странице в Атласе клеток на Атласе белков человека, где каждая полоса кликабельна.

Рис. 3. Изображение из Атласа белков человека. Гистограмма, показывающая распределение белков, обнаруженных в каждой органелле, структуре и субструктуре, аннотированных в Атласе клеток.

Органеллами с самыми большими протеомами были ядро ​​и его субструктуры, за которыми следовали цитозоль и везикулы, состоящие из транспортных везикул, а также небольших мембраносвязанных органелл, таких как эндосомы или пероксисомы. Половина белков (n = 6282, 52%) — это белки, обнаруженные более чем в одном месте, а 15% (n = 1861) демонстрируют множественную локализацию как по уровню экспрессии, так и по пространственному распределению. Однако более мелкие органеллы, такие как среднее тело, палочки и кольца, а также ядрышки также показали большее разнообразие, чем считалось ранее. Подробно изучите протеомы органелл человеческой клетки здесь.

  

Данные о проверке и расположении антител для атласа клеток

Особое внимание было уделено ручной аннотации всех результатов в отношении надежности окрашивания. Cell Atlas обеспечивает оценку надежности для каждого аннотированного местоположения белка по четырехбалльной шкале: расширенное местоположение, поддерживаемое местоположение, одобренное местоположение и неопределенное местоположение.

Расширенные местоположения получены путем расширенной проверки антител в соответствии с методами проверки, предложенными Международной рабочей группой по проверке антител (IWGAV) ⁶ .

Совет по прочтению

Прочтите запись в нашем блоге Как расширенная проверка Atlas Antibodies поможет вам опубликовать свое исследование.

 

Путешествие во внутреннюю вселенную человеческих клеток

Полное представление о биологии человека можно получить только путем изучения молекулярных компонентов и функций отдельных клеток.

Атлас клеток представляет собой ключевой ресурс для целостного понимания человеческой клетки и ее сложного молекулярного механизма, а также важный шаг к моделированию человеческой клетки. Более того, определение пространственного распределения протеома человека на субклеточном уровне может значительно улучшить наше понимание биологии и болезней человека.

Любопытство? Вы хотите знать, какие белки определяют каждую органеллу и какова их функция? Узнайте, как использовать Cell Atlas шаг за шагом с нашим руководством, и присоединяйтесь к нашему путешествию внутри клетки.

Ссылки

1. Laurila K. et al. (2009) Прогнозирование мутаций, связанных с заболеванием, влияющих на локализацию белка. BMC Genomics . 23; 10:122.

2. Парк С. и др. (2011) Локализация белков как основная черта этиологии и коморбидности генетических заболеваний. Мол Сист Биол. 7:494.

3. Тул П.Дж. и другие. (2017) Субклеточная карта протеома человека. Наука 356 (6340).

4. Stadler C. et al. (2013) Иммунофлуоресценция и мечение флуоресцентным белком показывают высокую корреляцию для локализации белка в клетках млекопитающих. Натуральные методы. 2013 (4):315-23.

5. Fagerberg L. et al. (2011) Картирование распределения субклеточного белка в трех линиях клеток человека. J Протеом Res . 10(8):3766-77.

6. Улен М. и соавт. (2016) Предложение по проверке антител. Nature Methods 13, 823–827

 

Доктор Лаура Поцци — старший научный сотрудник Atlas Antibodies. Она имеет докторскую степень. получил степень бакалавра биологических и биомолекулярных наук Лондонского университета в сотрудничестве с Институтом фармакологических исследований Марио Негри в Милане. Лаура работала научным сотрудником в Каролинском институте в Швеции, а в последнее время — ассоциированным редактором и экзаменатором на степень магистра наук. программа по биомедицине. Имеет большой послужной список научных публикаций в качестве первого автора и соавтора. Ее исследования сосредоточены на неврологии с большим опытом работы с нейронными цепями и нарушениями головного мозга.

Атлас расположения белков в клетках

Наука и технологии | Совокупность знаний

Знание местонахождения белка в клетке поможет исследователям определить его работу

10 декабря 2016 г.

ОДНО из самых важных понятий в биологии — компартментализация. Разные органы выполняют разную работу внутри тела. Разные ткани выполняют разную работу внутри органов. Точно так же разные клетки в тканях. А внутри клеток различные органеллы — известные субклеточные компоненты, такие как ядра, митохондрии и тельца Гольджи — также специализированы для выполнения определенных функций. Каждый из этих уровней организации на протяжении многих лет был каталогизирован в так называемых атласах, начиная с 1543 г. с работы Андреаса Везалия «De Humani Corporis Fabrica» («О ткани человеческого тела»), основополагающего текста современная анатомия.

Последний уровень детализации — изучение различных белков внутри органелл. Белки — это молекулы, которые выполняют большую часть работы внутри клетки. Они варьируются от таких вещей, как актин и миозин, которые взаимодействуют, сгибая мышечные клетки — и, следовательно, мышцы, частью которых являются эти клетки, — до ферментов цикла Кребса, которые разлагают глюкозу, чтобы высвободить содержащуюся в ней энергию. Cell Atlas, база данных, запущенная 4 декабря на собрании Американского общества клеточной биологии, записывает, какие белки находятся в каких органеллах. Результат, как и «De Humani Corporis Fabrica», одновременно приятен для глаз и важен для поля. Белки, расположенные вместе, скорее всего, будут работать вместе, поэтому знание местонахождения белка в клетке поможет исследователям определить его работу.

Авторы клеточного атласа под руководством Матиаса Улена из Королевского технологического института в Стокгольме с помощью иммунофлуоресценции таким образом определили 12 051 белок. В этом методе используются специально созданные антитела (белковые молекулы, вырабатываемые клетками иммунной системы, которые специфически связываются с определенным белком-мишенью), чтобы выследить эту цель внутри клетки. К самим антителам прикреплены флуоресцентные метки, поэтому они светятся при воздействии ультрафиолетового света. Применяя эти меченые антитела к клеткам из 22 линий клеток человека, полученных из ряда исходных тканей, авторы атласа дали себе наилучшие шансы обнаружить конкретный белок в клетках по крайней мере одной линии. После этого каждый образец подвергали микроскопическому исследованию, чтобы определить, в какой из 13 общепризнанных органелл присутствует каждый белок. Это была непростая задача (и ее нелегко делегировать автоматическим системам оптического распознавания), которая частично выполнялась группой специалистов. из 120 000 энтузиастов-любителей.

В примере на рисунке показано распределение белка (помеченного зеленым) под названием ZNF554. Он принадлежит к группе факторов транскрипции «цинковые пальцы», задачей которых является активация и регулирование генов. Как видно из рисунка, ZNF554 ограничен ядром клетки. В этом ядре есть несколько мест, которые светятся особенно ярко, и где его, следовательно, особенно много. Это ядрышки — зоны, где гены особенно активны. (Красные области — это микротрубочки клетки. Они действуют как ее скелет и помечены на всех изображениях Cell Atlas, чтобы очертить границы клетки.)

Вопрос о том, какую долю белков человека в настоящее время охватывает Атлас клеток, остается открытым. Количество генов, кодирующих белок, в геноме человека в настоящее время составляет 19 628. Однако некоторые гены могут давать более одного белка — либо потому, что они могут быть прочитаны более чем одним способом, либо потому, что их сообщения к частям клетки, производящим белок, могут в конечном итоге редактироваться по-разному. Это означает, что фактическое количество белков, которые могут время от времени существовать в организме, превышает количество генов, вероятно, по крайней мере на 50%. Клеточный атлас, таким образом, ни в коем случае не является последним словом в вопросе о том, где находятся белки. Но это хорошее начало.

Эта статья была опубликована в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Совокупность знаний».

Наука и технологии 10 декабря 2016 г. сохранен в янтаре

Насколько чиста солнечная энергия?

Атлас белков, встречающихся в клетках

Награды за прорыв

Древние затмения показывают, как дни становятся длиннее

Из выпуска от 10 декабря 2016 г.