Никитин Андрей Викторович : другие произведения.

Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 7

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]

Ссылки:

Оставить комментарий © Copyright Никитин Андрей Викторович (andvnikitin@yandex.ru) Размещен: 05/08/2018, изменен: 10/05/2024. 166k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 22 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:

Никитин А.В.

Этапы развития жизни на Земле. Часть 7
Новые этапы развития клетки.

Из цикла "Общая логика".

Оглавление

НОВЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ КЛЕТКИ.

МЕЗОКАРИОТЫ

Рибосома.

Транспортная РНК

"Рамка считывания".

Деление клеток.

ЭУКАРИОТЫ

Синтез белка.

Деление эукариотов.

ВИРУСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КЛЕТКЕ.

ВИРУСЫ И... ВИРУСЫ.

Транспортная форма технических вирусов.

Мобильные генетические элементы.

Информационные объекты на основе РНК и ДНК в геноме.

Интроны группы II

Белковые информационные объекты.

ЗАКАНЧИВАЯ О ВИРУСАХ...

БОРЬБА КЛЕТОК С ВИРУСАМИ.

МАШИНА УПРАВЛЕНИЯ КЛЕТКИ.

СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭУКАРИОТ.

Сигнальные пути.

Центриоль.

Аппарат Гольджи.

Эндоплазматический ретикулум.

Клеточное ядро.

Ядрышко.

СИНТЕЗ БЕЛКА.

ОБОБЩАЕМ...

ЕЩЕ НЕМНОГО О МАШИНЕ УПРАВЛЕНИЯ...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА:

Эволюция ограничена существованием объекта эволюции. Иначе эволюция невозможна. Существование любого объекта и его возможную эволюцию определяют условия. Все условия. Внешние и внутренние для существующего объекта. И эти условия существования не то, что на разных планетах, даже на одной Земле, очень различны.

Но, может быть только так и могла возникнуть здесь жизнь?

Разными учеными уже сколько раз ехидно замечалось, что если собрать в одном месте все необходимые для возникновения жизни химические и органические составляющие, то придется подождать... с миллиард лет, пока они сами сложатся в живую систему...

За точность цитирования конечно не ручаюсь, но смысл примерно понятен.

Видимо нельзя жизнь на Земле сводить только к её биологической основе.

Нет, одна химия, пусть и органическая, не решает такие задачи...

А что решает?

Вопрос повис в воздухе...

Тогда я начал задавать себе более конкретные вопросы.

Ну, хотя бы, что такое вообще - "живые" организмы?

И этот вопрос вдруг оказался "белым пятном" науки. Потому, что никто не знает точно границы между "живым" и "потенциально живым", тем, что может когда-то участвовать в создании "живого" и тем, что уже "живое", т.е. мыслит, двигается, что-то делает...

Чем же отличается нечто "живое" от того, что только "потенциально живое"?

Нет ответа.

Сразу на ум приходят: "Специалист подобен флюсу: полнота его односторонняя ... Специалист знает все о немногом и ничего обо всем остальном."

Пришлось самому двигаться далее по цепочке вниз, вглубь уточнений того, что я хочу понять. Но чтобы сдвинуться с места, надо понять, что надо сделать, понять куда, и зачем...

В последнее время появились какие-то новые книги о проблеме происхождения жизни.

Но все они почему-то начинают повествование только с момента появления эукариотов, и в сторону развития многоклеточных организмов. Вот, например, из рецензии на книгу Михаила Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки.":

"Здесь не мешает вспомнить, что в России за последние 20 лет вышло как минимум две книги о проблемах происхождения жизни - "Рождение сложности" Александра Маркова (2010) и "Удивительная палеонтология" Кирилла Еськова (2000). Первая отличается от "Происхождения жизни" большей гуманностью изложения. Если Никитин безэмоционально рассказывает, что с высокой долей вероятности происходило на ранних этапах развития жизни, будто бы читая лекцию у кафедры, то Марков, образно выражаясь, сидит ближе к читателю-собеседнику и говорит медленнее; он обращает внимание не только на фактическую сторону проблемы, но и на человеческую природу своего слушателя. А "Удивительная палеонтология", хотя и дальше по своему содержанию от уже упомянутых двух, носит некоторые черты сходства с книгой Михаила Никитина.

Как известно, "Происхождение жизни. От туманности до клетки" представляет собой расширенную и дополненную версию курса "Происхождение жизни"*, который автор несколько лет подряд читал на Летней экологической школе (ЛЭШ)." [7.27]

Правда, недавно появились и другие книги по вопросу возникновения Жизни. Например, уже показанная в цитате книга А. В.Маркова, "Рождение сложности: Эволюционная биология сегодня" [7.7]. Приятно, что главная мысль автора этой книги о происхождении жизни оказалась созвучна написанному мною [7.1÷7.6]...

Зачем мне, дилетанту в этом вопросе, копаться в биологической информации, писать свою историю возникновения жизни на Земле, когда уже есть книги профессионалов?

А вы сравните этот материал [7.1-7.6] с их книгами...

Недавно наконец-то появились и другие понимания.

Например, вот цитата из статьи:

"Но как слабо еще изучена клетка, если почти каждые 7-10 лет открывается совершенно новая сверхмолекулярная клеточная структура! Да и строение и функции тех структур и органелл, что уже давно открыты (например, хромосомы), остаются во многом неясными или дискуссионными. Живая клетка предстает как микрокосм, полный тайн."[7.8]

Весьма своевременное замечание...

Мне это стало понятно только сейчас. И то, только после самостоятельного изучения основ этой проблемы...

Да, сейчас мы уже немного представляем, как развивалась клетка. Из коацерватной капли постепенно сформировалась простейшая протоклетка [7.1]. Самые древние самостоятельные клетки возникли из протоклеток примерно 4,2 млрд. лет назад. Это были архебактерии, археи [7.2]. Как утверждают ученые, всего через 100-300 млн. лет после формирования планеты Земля. К этому моменту ученые относят начало Мира РНК.

Сегодня ученые определяют время появления первых признаков биосферы, как примерно 3,8 - 3,5 млрд. лет назад. Первые бактерии прокариоты возникли в процессе эволюции около 3,5 млрд лет назад. Как мы видим, все преобразования клетки, включающие полное техническое перевооружение, появление устойчивого самостоятельного энергообеспечения и организации её общего управления заняли примерно миллиард лет.

Как говорят ученые, с этого момента мы уже можем установить клетку-прародительницу всех клеток, живущих на Земле.

Это LUCA, наш "последний общий предок".

Но, когда появился первый живой организм на Земле, ученым пока непонятно.

Первые цианобактерии [7.3], а это уже относительно развитые бактерии, появились примерно 2,8-2,7 млрд. лет назад. Они и создали "кислородную катастрофу", произошедшую около 2,45 млрд лет назад, перейдя на кислородный фотосинтез в глобальном масштабе. К этому моменту бактерии прокариоты уже сформировались.

"Кислородная катастрофа" привела к резкому понижению общей температуры на Земле. Метан, который ранее присутствовал в атмосфере в больших количествах и вносил основной вклад в парниковый эффект, соединился с кислородом и превратился в углекислый газ и воду. Вода стала конденсироваться и выпадать осадками. Это привело к появлению океанов. В результате изменения химического состава атмосферы изменилась её химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект.

Как следствие, планета вступила в эпоху оледенений. В том числе и самого крупного Гуронского оледенения. Это оледенение началось в сидерии 2,4 млрд лет назад и закончилось в конце рясия, 2,1 млрд лет назад. На 300 млн лет Земля превратилась в "землю-снежок"...

В этот период главный фактор развития - ухудшение условий существования. Потому, что само существование клеток опять под вопросом. С появлением кислородной атмосферы почти прекратилось расширение популяций анаэробных клеток. Началось развитие аэробных бактерий. "Биосфера вывернулась наизнанку"...

Клетки отчаянно нуждаются в энергии и перестраивают свои энергетические и организационные структуры для продолжения хоть какого-то существования в этих тяжелейших условиях.

Насколько сложные это условия?

Как утверждают специалисты, в такие периоды как этот, прекращали свое существование до 90 с лишним процентов всех существовавших тогда клеточных образований.

Так на Земле было несколько раз.

В этот сложный период своего существования клетка уже представляет собой сложный биологический автомат. Иногда этот уровень сложности автоматических систем еще называют "биологическим роботом", что тоже вполне подходит для определения.

Функция управления постепенно стала доминировать над регулированием и в клетке стали создаваться сигнальные сети каналов управления [7.6]. Всё это быстро привело к переходу клетки от саморегулирования к самоуправлению.

Спонтанная глобализация функции управления постепенно и привела к созданию сначала локальных центров управления, а потом к системе клеточного управления в виде клеточной машины управления, которая и сосредоточила на себя все функции управления, переведя клетку с уровня адаптивного локального управления на уровень централизованного управления. Такая надстройка управления появилась над уже существующими локальными машинами управления, поддерживающими работоспособность того или иного органа клетки в сложных условиях выхода за диапазон стабильности. "Сигналами" в сигнальных путях этой надстройки стали энзимы или ферменты. Машина контролирует все основные автоматические системы функциональных автоматов клеток в режиме адаптивного управления [7.6].

Сигнальные пути опять прошли поверх всех существующих. Они охватили все локальные центры управления, теперь составляющие клеточную машину управления. Новые сигналы подавили часть сигнальных путей локальных машин управления, работающих на основе простейших пептидов и новая машина взяла управление на себя...

Клетки теперь не только вполне адаптивны к изменениям внешних условий, но и постоянно формируют какие-то "сигнальные пути" во внешней среде, аналогичные своим внутренним сигнальным путям, копируя их работу во внешней среде. Клетки начали обмениваться разнообразными "сигналами", техническими вирусами...

Пока они служат только переносчиками какой-то информации от одной клетки к другой. Объекты, обладающие возможностями самостоятельного исполнения какого-то действия в клетке-получателе. Оценка этих действий еще не проводится и защита пока даже не предусмотрена.

Но время для этого пришло...

Вдруг оказалось, что только вирусы способны вносить изменения в клеточный геном, а значит - эволюцию клетки творят... вирусы. Вирусы занесли в геном клетки свои функциональные автоматы-программы, которые там заработали... и "заразили" клетки первыми своими "инфекциями" - самосохранением, расширенным воспроизводством, переходом от пассивного к активному существованию...

Эти вирусные функции резко ускорили переход клетки от регулирования собственных химических процессов к управлению состоянием их активности.

Уже давно технические вирусы перестали быть только средством переноса информации. Вирусы вырвались из под управления клетки. И теперь они стали воинами своей глобальной войны. Сегодня эти автоматы получили обобщенное название "вирус", а этот "обмен любезностями" - "вирусной войной" [7.4].

Всё это осуществляется с помощью механизма горизонтального переноса.

Одна клетка сбрасывает во внешнюю среду те средства нападения, которые она приготовила "противнику", а другая клетка их подбирает во время поиска энергетической пищи для своего существования. И функциональный автомат самостоятельного исполнения какой-то программы действий проникает в чужую клетку. Если условия оказываются подходящими, то автомат начинает действовать, исполнять свою программу.

Началась и конкурентная война локальных машин управления внутри клетки. Она стала внутренним отражением глобальной клеточной войны, уже давно бушующей по всей планете.

Пока в ход идет всё. Внутри клетки это цепочки РНК, ДНК, клубки пептидов и энзимов, комбинации того и другого, ... да, всего подряд. Во внешней среде это плазмиды, вирусы, ферменты, гормоны, прионы....

Но смысл их остался один и тот же.

Это сначала сигнальные элементы для перехвата управления, потом средство такого "удаленного" управления. Далее оно усиливается до средства взлома обороны противника, и наконец, это уже и средство уничтожения... такого же средства обмена у конкурента. А потом уничтожения и самого конкурента, такого же биологического автомата, коим в этот момент является и сама клетка.

Клетка "захватывает" управление ... и отбивается от управляющих сообщений других клеток, находящихся поблизости.

В какой-то клетке, существующей в тот момент, появилась еще простейшая надстройка над управляющей машиной, взявшая на себя управление всей системой клетки в стрессовых условиях. Субъект. Новая надстройка над машиной централизованного клеточного управления включила в работу и новый принцип управления. Директивный [7.6]. Это потребовало нового усложнения систем управления клетки...

Субъект взялся и за целенаправленное формирование элементов управления "дальнего действия" с целью воздействия на своих соседей. Он формирует технические вирусы и отправляет из во внешнюю среду другим клеткам [7.4].

Что же в это время самое важное, что происходит на Земле?

На Земле появилась Жизнь.

И эта, только что возникшая Жизнь, теперь проскальзывает в бутылочное горло и пытается вырваться из сложнейших обстоятельств.

Вот когда пришла пора начать разговор о клетках новой формации.

В эту катастрофическую эпоху, примерно 2,1-1,6 млрд. лет назад, на Земле появился новый вид клеток - мезокариоты .

Мезокариоты появились из прокариот не сразу.

Для этого клетке пришлось изменить принципы получения энергии и резко усилить энерговооруженность. Перестроить организационную структуру. Перевести всё клеточное пространство под централизованное управление. Разделить пространство клетки на технологические зоны, создать ядро, чтобы особо выделить зону транскрипции РНК и репликации ДНК, а потом перенести туда и ядрышки.

Потребовалось изменить процесс синтеза белков. С химического и нерибосомного перевести всё на рибосомный способ трансляции белка по матрице РНК.

Так сформировались и стали отрабатываться новые технологии, которые привели к появлению современных эукариот. Эукариоты появились примерно 2 млрд. лет назад, а распространились по всей планете около 1 млрд лет назад.

Эти клетки уже имеют очень мощную машину управления. Теперь всё происходит под управлением Субъекта. Внешние условия Субъект не в силах изменить, а вот внутренние он хотя бы контролировать может. Даже при наличии каких-то случайных изменений, если они не приводят к немедленному концу его существования.

Субъект начал перестраивать клетку под свои потребности и необходимости.

А потребности Субъекта очень быстро растут.

Новые этапы развития клетки.

Какую точку в истории Земли можно обозначить, как Начало Жизни?

Очень сложный вопрос. Прежде всего, методологически. С этим и связано множество мнений, иногда и полярных, в понимании правильного ответа на поставленный вопрос.

От чего отталкиваться в определении этой точки?

Сегодня в этом вопросе полная неразбериха.

И все же...

Начальный период появления всех органических составляющих получил название - химическая эволюция. Где-то он пересекается с периодом абиогенеза. Который, затем сменился биогенезом. Как выясняется, этот период охватывает весь период развития клеток от протоклеток до эукариотов. Биогенез, в свою очередь, где-то плавно перетекает в понятие "биологическая эволюция".

Конечно, такое деление никак не устраивает специалистов далеких от биологии.

Когда на Земле появилось "активное существование"? Чем оно отличается от любого "пассивного" существования? Где вообще начинается процесс "существования", как "жизнь"?

Нет ответа...

В это время прокариоты уже развили технологии до появления самостоятельных вирусов, уничтожающих самих производителей этих вирусов. Это время начала вирусной войны и заражения клеток первыми глобальными функциональными вирусными инфекциями - расширенным воспроизводством и самосохранением.

Исполнение этих функций стало целями существования всего Живого на Земле.

Клетки начали борьбу за свое существование. Для них появилось понятие Жизнь, как способ активного существования, и Смерть, как его прекращение.

Это время появления эукариотов.

Но между прокариотами и эукариотами различия настолько большие, что невольно спрашиваешь: А где те клетки, которые были между прокариотами и эукариотами?

Эти клетки есть, это мезокариоты. Переходный вид.

Массовое развитие клеток этого вида началось где-то примерно 2 - 1,5 млрд лет назад. Это уже время начала клеточной войны...

Чем отличается клетка мезокариот от клетки прокариот в техническом и организационном плане? По появлению каких технологий в клетке мы можем определить этот момент? Почему и как клетка вообще вышла на эти технологии?

Ну вот, с этого и начнем...

Мезокариоты

Формальное отличие этого вида клеток от прокариот - наличие ядра, где сосредоточены первые хромосомы , содержащие ДНК генома клетки.

Итак, новый вид клеток - мезокариоты:

"Мезокариоты (лат. Mesokaryota) - организмы с промежуточным между прокариотами и эукариотами типом организации генетического аппарата.

...Мезокариоты уже обладают четко дифференцированным ядром, однако в его строении сохранились некоторые черты примитивности, присущие нуклеоиду. Подобная двойственность проявляется и в других чертах организации клетки.

Ядро мезокариот, называемое динокарион, содержит от 5 до 284 'хромосом' и характеризуется значительным содержанием ДНК (3-200 пг), по кинетическим параметрам напоминающее эукариотическое, но обогащённое 5-гидроксиметилурацилом (3-19 мол. %).

"Хромосомы" постоянно конденсированы, то есть молекулярно-генетические процессы осуществляются в этих морфологически стабильных структурах. Гистоны и нуклеосомная организация в них не обнаружены, хотя выявлено небольшое кол-во гистоноподобных белков, не гомологичных ни гистонам, ни гистоноподобным белкам прокариот (отношение белок/ДНК - 0,1, в то время как у остальных эукариот оно близко к 1).

Распределения "хромосом" при делении клеток, по-видимому, опосредуются их контактом с сохраняющей интактность ядерной мембраной. Отсутствуют данные о наличии какого-либо периода синтеза ДНК, подобного S-фазе интерфазы эукариот. Не исключено, что транскрипционная активность ограничена периферической диффузной областью "хромосом" мезокариот. Тип организации генетического аппарата мезокариот может рассматриваться эволюционно не только как переходный от прокариот к эукариотам, но и как независимая ветвь развития от общих с эукариотами предков, например, древних архебактерий.

К мезокариотам относятся динофитовые водоросли - динофлагеллаты." https://ru.wikipedia.org/?curid=1811350&oldid=133900645


Рис.7.1. Мезокариота. Клетка Oxyrrhis marina, видно ядро и ядрышко. Размер клетки между 20 и 30 микрометрами.

Ядро, динокарион, есть, но пока его функции в составе клетки не так хорошо изучены. Данные об этом отсутствуют.

Кольцевая ДНК мезокариот вроде бы не упакована в гистонные модули, а существует в другом состоянии.

И вот еще одна цитата:

"Концепция мезокариот (динофлагелляты - промежуточная группа между истинными эукариотами и бактериями) ошибочна. Однако её разработка привела к углубленному изучению эволюции митозов. В результате некоторые группы простейших стали объединять на основе сходства митотических процессов.

"В 70-80-х годах широко дебатировались особенности строения ядра динофлагеллят. "Хромосомы" динофлагеллят не палочковидные, как у остальных эукариот, а в виде колец ДНК, как у прокариот. Истинные хромосомы состоят из двух компонентов - ДНК и белок гистонов. Гистоны у динофлагеллят и прокариот не обнаруживались. Молекулы ДНК у прокариот и динофлагеллят прикрепляются непосредственно к мембране (ядерной у динофлагеллят или клеточной у прокариот), тогда как у других эукариот они связаны с мембраной особыми подвесками из микротрубочек. Митотический процесс динофлагеллят оказался настолько непохожим на митоз прочих эукариот, что его можно было считать сформировавшимся независимо от общего ствола ядерных организмов.

На основании этих признаков было предложено царство Mesocaryota, заполнявшее пробел между прокариотами и эукариотами. Однако впоследствии были найдены бесцветные динофлагелляты с типичным для эукариот строением ядра. В настоящее время царство Мезокариота обычно отвергается".

Однако дискуссия о структуре ядра динофлагеллят была исключительно плодотворной, потому что послужила причиной (хотя и не единственной) изучения разнообразия типов митозов и формирования представлений о ходе их эволюции. Теперь при определении древности и родственных связях той или иной группы эукариот привлекаются данные об особенностях их митозов." https://vunivere.ru/work67900/page2

Мы не будем отвергать существование мезокариот. По нескольким причинам.

Это царство клеток предполагает переходные формы между прокариотами и эукариотами, что при изучении собственно эукариот просто игнорируется. Наличие таких переходных форм, как кольцевая ДНК, типичная только для прокариот, как раз и доказывает постепенность перехода от прокариот к эукариотам через мезокариот, промежуточное звено этой цепи эволюционных изменений. Можно также предположить, что на этой стадии происходили основные изменения машины управления клетки. Например, переход от использования простейших пептидных сигналов на белковые сигнальные пути.

Теперь в качестве сигналов стали использоваться ферменты.

Наличие царства мезокариот помогает нам объяснить и переход от децентрализованного распределенного управления к централизованному. С образованием центральной клеточной машины управления вместо нескольких кустовых функциональных.

Но это потребовало новой глобальной перестройки всей технологии получения белка.

Как мы знаем, сначала у прокариот существовал синтез только простейших нерибосомных пептидов . Потом процесс синтеза белка был значительно улучшен. Теперь один из процессов получения белка уже заключается в использовании для этой цели нерибосомного синтеза с использованием NRS-синтазы. NRS-синтаза обычно состоит из нескольких доменов или отдельных белков, осуществляющих селекцию аминокислот, образование пептидной связи и высвобождение синтезированного пептида. Вместе эти домены составляют модуль. Каждый модуль обеспечивает включение одной аминокислоты в синтезируемый пептид. NRS-синтазы, таким образом, могут состоять из одного или более модулей.

Такой процесс получения белка на уровне появления клеточной машины управления уже никак не соответствовал сложности задачи. Нужен был совершенно новый способ синтеза белка, позволяющий быстро создать белки высокой сложности и заданных свойств.

Скорее всего у мезокариот впервые был применен рибосомный способ синтеза белка. По кодирующей последовательности РНК.

Немного о кодирующей последовательности:

"Кодирующие последовательности могут располагаться на любой из двух цепей ДНК (если ДНК не является одноцепочечной, как у многих вирусов), в любой из трех возможных фаз: по три, начиная со старт-кодона ATG, по три с +1 нуклеотида от ATG и так далее. При анализе просматриваются все шесть вариантов, поскольку при отсутствии дополнительной информации они являются равнозначными. Для удобства используют последовательность цепи ДНК, комплементарную кодирующей (плюс-цепь), так как её последовательность соответствует последовательности мРНК.

Рис.7.2. Сравнение контуров рибосомных субчастиц и их изолированных высокополимерных РНК в компактной форме по данным электронной микроскопии: вверху - большая (50S) субчастица и ее 23 РНК. Внизу - малая (30S) субчастица и ее 16S РНК (В.Д. Васильев, Институт белка РАН, Пущино) [7.12]


Рис.7.2. Сравнение контуров рибосомных субчастиц и их изолированных высокополимерных РНК в компактной форме по данным электронной микроскопии: вверху - большая (50S) субчастица и ее 23 РНК. Внизу - малая (30S) субчастица и ее 16S РНК (В.Д. Васильев, Институт белка РАН, Пущино) [7.12]

Открытые рамки считывания у реальных генов перекрываются чрезвычайно редко. Однако у высших эукариот широко распространен альтернативный сплайсинг, при котором один ген кодирует целый ряд сходных белков, что, вместе с наличием интронов, существенно затрудняет поиск эукариотических генов in silico (при помощи компьютерных методов) в сравнении с прокариотами." https://ru.wikipedia.org/?curid=402597&oldid=131719034

Альтернативный сплайсинг как раз и говорит нам о возможности других видов кодирования аминокислот в последовательности оснований РНК.

Мы конечно, можем говорить только о эукариотах, но, похоже, что, как переходная форма, как альтернативный сплайсинг, начинал рибосомный синтез белка мезокариот. А у эукариот он был немного доработан и перешел в разряд "обычного", применяемого сегодня вида сплайсинга кодирующей последовательности гена перед трансляцией.

Рибосома.

Рибосомы прокариот мелкие (70S -типа). Клетки эукариот содержат как более крупные рибосомы 80S-типа, находящиеся в цитоплазме, так и 70s-рибосомы прокариотного типа, расположенные в митохондриях и пластидах.

"Каждая рибосомная субчастица содержит одну молекулу высокополимерной рибосомной РНК, составляющую от половины до двух третей всей массы субчастицы. Соответственно большая субчастица содержит в два раза более длинную рибосомную РНК, чем малая субчастица рибосомы. У бактерий это 23S РНК (около 3000

нуклеотидов) и 16S РНК (около 1500 нуклеотидов), а у животных 28S РНК (4700-4800 нуклеотидов) и 18S РНК (около 1900 нуклеотидов). Изолированные цепи высокополимерной рибосомной РНК в условиях, гасящих электростатическое отталкивание их фосфатных групп (высокие концентрации солей, особенно ионов магния), способны сворачиваться в компактные частицы характерной формы, причем компактно свернутая 23S РНК напоминает по форме полусферическую большую субчастицу рибосомы, а 16S РНК - удлиненную малую субчастицу (рис. 7.2). Аналогичное сворачивание и компактизация наблюдаются в присутствии рибосомных белков. Это позволяет предполагать, что, во-первых, при формировании рибосомных частиц в клетке цепи соответствующих рибосомных РНК (большой или малой) сами сворачиваются специфическим для них образом (подобно специфическому самосворачиванию полипептидных цепей в глобулярные белки) и, во-вторых, именно компактная специфическая структура рибосомной РНК во многом задает конечную морфологию соответствующей рибосомной субчастицы." [7.12]

"Физически рибосома представляет собой компактную частицу специфической формы, лишенную внутренней и внешней симметрии, грубо аппроксимируемую сферой с диаметром около 30 нм. Функционально это молекулярная машина, протягивающая вдоль себя цепь мРНК, считывающая закодированную в мРНК генетическую информацию и параллельно, в соответствии с кодом, синтезирующая полипептидную цепь белка из поступающих в нее аминокислотных остатков. В процессе работы рибосома потребляет энергию гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ). Очевидно, что детальное знание структуры рибосомы является необходимой базой для понимания механизмов работы этой молекулярной машины.

В настоящее время полная структура рибосомы на молекулярном уровне еще неизвестна, хотя известно много деталей ее строения." [7.12]


Рис.7.3. Электронные микрофотографии индивидуальных рибосом Escherichia coli и их модель (внизу) в двух различных проекциях: слева - в так называемой перекрывающейся проекции, когда малая (30S) субчастица обращена к зрителю и закрывает собой часть большой (50S) субчастицы; справа - в боковой проекции, когда к зрителю обращен боковой палочкообразный выступ большой (50S) субчастицы, а малая (30S) субчастица расположена вверху (фотографии и модель В.Д. Васильева, Институт белка РАН, Пущино)	Рис.7.4. Размещение основных функциональных лигандов - цепи мРНК (обозначена синим цветом) и двух тРНК (зеленые) - в рибосоме. Контуры рибосомы даны в соответствии с последними данными криоэлектронной микроскопии. Полость между субчастицами является главным функциональным карманом рибосомы, здесь размещаются две молекулы тРНК. Молекулы тРНК (аминоацил-тРНК и пептидил-тРНК) связаны с мРНК своими антикодоновыми верхушками и с пептидил-трансферазным центром в основании центрального выступа большой субчастицы - своими акцепторными концами, несущими аминокислотные остатки. В процессе трансляции цепь мРНК сканируется рибосомой от 5'-конца (голова цепи) к 3'-концу (хвост цепи), и тРНК сменяются в зависимости от нуклеотидных комбинаций, находящихся в каждый данный момент на рибосоме. Согласно представленной модели, цепь мРНК движется сквозь рибосому через шею малой субчастицы и выходит в зазор между центральным и левым боковыми выступами большой субчастицы. [7.12]

Рис.7.3. Электронные микрофотографии индивидуальных рибосом Escherichia coli и их модель (внизу) в двух различных проекциях: слева - в так называемой перекрывающейся проекции, когда малая (30S) субчастица обращена к зрителю и закрывает собой часть большой (50S) субчастицы; справа - в боковой проекции, когда к зрителю обращен боковой палочкообразный выступ большой (50S) субчастицы, а малая (30S) субчастица расположена вверху (фотографии и модель В.Д. Васильева, Институт белка РАН, Пущино)

Рис.7.4. Размещение основных функциональных лигандов - цепи мРНК (обозначена синим цветом) и двух тРНК (зеленые) - в рибосоме. Контуры рибосомы даны в соответствии с последними данными криоэлектронной микроскопии. Полость между субчастицами является главным функциональным карманом рибосомы, здесь размещаются две молекулы тРНК. Молекулы тРНК (аминоацил-тРНК и пептидил-тРНК) связаны с мРНК своими антикодоновыми верхушками и с пептидил-трансферазным центром в основании центрального выступа большой субчастицы - своими акцепторными концами, несущими аминокислотные остатки. В процессе трансляции цепь мРНК сканируется рибосомой от 5'-конца (голова цепи) к 3'-концу (хвост цепи), и тРНК сменяются в зависимости от нуклеотидных комбинаций, находящихся в каждый данный момент на рибосоме. Согласно представленной модели, цепь мРНК движется сквозь рибосому через шею малой субчастицы и выходит в зазор между центральным и левым боковыми выступами большой субчастицы. [7.12]

Рибосома состоит из двух субъединиц. Малой, верхней, и большой, нижней. С одной стороны они скреплены белковым движителем, вторая стороны не закреплена.

Общий вид собранной рибосомы похож на раковину жемчужного моллюска.


Рис.7.5. Строение молекулы Т-РНК https://studopedia.ru/9_35351_biosintez-belka.html

Открывается, закрывается..., а между этими "створками" проходит цепочка РНК. Это функциональный автомат, который "садится" на цепочку РНК и начинает по ней двигаться. Конечно, это происходит при помощи "белкового" движителя.

Принцип работы рибосомы с тех пор не изменился.

Транспортная РНК

Ну конечно, это результат ошибок копирования.

Например, обратной транскрипции части РНК обратно на ДНК. Получились многочисленные повторы. Они закрепились в ДНК и стали копироваться на РНК при обычной транскрипции . После каждой транскрипции эти повторы сворачивались в клубки, закрывая открытые электронные связи полученной молекулы. В каком-то из вариантов постепенно и получились характерные "трилистники" тРНК .

Вот она, современная тРНК на рис. 7.5.

Комплементарные части цепи оснований РНК создают петли, в вершине средней петли контрольный код (антикодон), который определяет, какая аминокислота должна быть сначала захвачена хвостовым устройством, а потом отдана в состав собираемого белка при трансляции на рибосоме.

Для меня остается пока абсолютно непонятным, как произошло это соответствие контрольного кода в вершине тРНК и конфигурации свободных связей хвостового устройства для захвата и удержания только одной аминокислоты из 20-ти возможных. Но, факт мы видим. Сегодня есть 64 разных контрольных кодов в вершинах тРНК, соответствующих кодонам 20-ти аминокислот, применяемых при синтезе белка.

И каждый кодон соответствует конфигуратору захвата только "своей" аминокислоты.

Расположение кодонов 20-ти аминокислот по группам показана в таблице 7.1.

Теперь нам уже просто необходимо понять, как образовались кодоны или триплеты, кодирующие ту или иную аминокислоту в цепи РНК.

Сегодня все 20 аминокислот разбиты по нескольким группам в зависимости от применяемых кодонов для кодирования именно этой одной аминокислоты, и порядком следования оснований в триплета. Сначала первый элемент кодона, потом второй, и третий. Так триплеты и расположены группами по столбцам в таблице...

Таблица 7.1 Стандартный генетический код


A - Кодон AUG кодирует метионин и одновременно является сайтом инициации трансляции: первый кодон AUG в кодирующей области мРНК служит началом синтеза белка[12].

А теперь,... как происходит сам процесс синтеза белка из аминокислот...

Тут надо наверное начать с того, что происходит, когда тРНК встречается с рибосомой, находящейся на цепи мРНК. Рибосома "открыта". Ну пока назовем это её положение так...

Рибосома открыта, цепь РНК зафиксирована чем-то, скорее всего одной из частей рибосомы (см. рис. 7.6.) она прижата к другой и тем ограничена её подвижность. Нуклеотиды цепи зафиксированы на позиции соединения с кодоном тРНК. Для завершения цикла белковому рибосомному "движителю" нужна только молекула АТФ. Весь механизм рибосомы ждет... подхода нужной тРНК с именно тем кодоном в вершине, который нужен сейчас.

Нижняя большая субъединица и верхняя малая субъединица рибосомы сложные, каждая состоят из двух частей. Видимо в открытом состоянии все эти части образуют канал для прохода тРНК через зону контакта с кодоном мРНК с строго фиксированном положении в пространстве. И мимо строем начинают проплывать разные тРНК, пока антикодон одной из них не совпадет с открытым кодоном мРНК.

Происходит соединение открытых связей и нужная тРНК фиксируется в подготовленном для этого месте на рибосоме.

Теперь настало время получения АТФ и завершения цикла.

И рибосома складывает створки.


Рис.7.6. Модель динамической работы рибосомы в элонгационном цикле (на данной схеме 'головки' обеих рибосомных субчастиц обращены к зрителю).https://ru.wikipedia.org/?curid=36945&oldid=135295732

В это время аминокислота, закрепленная на хвосте тРНК сближается с последней аминокислотой синтезируемого таким способом белка. Открытые связи аминокислоты соединяются с открытыми связями аминокислоты белка. Потом происходит отрыв её от хвоста тРНК.

Поступление к белку рибосомы новой порции АТФ приводит к новому открытию створок рибосомы...

Далее цитаты из работы А.С. Спирина, объясняющие работу рибосомы на рис.7.6.:

"Модель постулирует, что две рибосомные субчастицы подвижно соединены друг с другом и способны к некоторому раздвиганию (размыканию) и сдвиганию (смыканию).

Размыкание открывает функциональные центры на контактирующих поверхностях субчастиц, такие, как А-участок для приема аминоацил-тРНК, и способствует перемещению лигандов, например в ходе транслокации.

Смыкание субчастиц запирает лиганды внутри рибосомы и приводит в тесный контакт субстраты для реакции транспептидации.

Предполагается, что размыкание индуцируется факторами элонгации с ГТФ, а гидролиз ГТФ и уход факторов с рибосомы позволяют ей снова сомкнуться".[7.13]

Операции смыкания и размыкания частей рибосомы.

На рис.7.6. представлено рассмотрение элонгационного цикла с точки зрения модели смыкания-размыкания:

1. "связывание аминоацил-тРНК с рибосомой требует размыкания, и фактор элонгации EF1 с ГТФ призван "открыть" рибосому;

2. после расщепления ГТФ фактор элонгации EF1 покидает рибосому, а аминоацильный конец аминоацил-тРНК взаимодействует с пептидилтрансферазным центром большой субчастицы и тем самым способствует смыканию субчастиц и запиранию рибосомы;

3. реакция транспептидации происходит в "закрытой" рибосоме между тесно сближенными группами двух субстратов - пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК;

4. размыкание претранслокационной рибосомы промотируется фактором элонгации EF2 с ГТФ, что приводит к выходу деацилированной тРНК и смещению остатка тРНК молекулы пептидил-тРНК вместе с мРНК;

5. гидролиз ГТФ и как следствие уход фактора элонгации EF2 снова дает возможность рибосоме сомкнуться.

Таким образом, транслирующая рибосома в ходе элонгационного цикла осциллирует между сомкнутым и разомкнутым состояниями. " [7.13]

В реальности процесс идет чуть сложнее и цепь цикла чуть длиннее за счет того, в работе одновременно участвует несколько тРНК со своими аминокислотами.

Этот процесс синтеза белка на рибосоме и мною уже неоднократно рассматривался несколько лет назад [7.14 ÷ 7.19].

"Рамка считывания".

Похоже, что "рамку считывания" биологи взяли у ЭВМ.

Еще когда носителями информации в ней были перфоленты и перфокарты. Сама информация набивалась... дырочками в нужных местах этих носителей. И чтобы снять информацию с такого носителя, с одной стороны ставили лампы для подсветки, а с другой, фотоприемники, которые этот свет улавливали. Пробитые дырочки этот свет к фотоприемникам пропускали, а остальные поля оставались темными. И чтобы четко ограничить границы поля для считывания информации ставилась вполне реальная "рамка считывания". С широкими полями, закрывающими остальное поле носителя. А в центре - окно на фиксированное число разрядов считывания "машинного слова" перфокарты.

Такого носителя информации в ЭВМ давно нет, как и этой рамки, а понятие "рамки считывания" осталось. Как граница окна для считывания информации, измеряемого в разрядах числа. Видимо, оказалось, что так удобно объяснять, что происходит при трансляции белка на рибосоме.

Когда-то появилась рибосома, которая делала удивительную вещь. Она приближала к мРНК проплывающие рядом тРНК с закрепленными на них разными аминокислотами, и если код тРНК совпадал с кодом мРНК в "рамке считывания", то аминокислота от "хвоста" тРНК отрывалась и переходила в состав собираемого таким способом белка. После этого тРНК из рибосомы уходила, а её место занимала следующая тРНК, с аминокислотой.

Сложно?

Началось все, видимо, в самом простейшем варианте. С прямого сопоставления того или иного нуклеотида ДНК или РНК с какой-то аминокислотой, при проведении синтеза белка на рибосоме. Но, оснований в РНК мало, а аминокислот - много...

Как один из вариантов решения этой проблемы, ... скорее всего, здесь впервые и появился триплетный способ 'чтения' кодирующей последовательности нуклеотидов РНК.

Откуда такой способ чтения появился?

Нет, клетка не научилась считать до трех, и не освоила деление по три...

Тут всё происходило несколько иначе [7.14 ÷ 7.19]. Стал учитываться как основной нуклеотид, так и те, что рядом. Справа и слева...

Вот они-то все и составили "триплет" считывания.

Примерно так и образовалась "рамка считывания", о которой сегодня часто говорят биологи при объяснении процесса трансляции белка рибосомным способом. Все так.

Но сначала все было не совсем так, чем сейчас.

Тогда, в начале... "рамка считывания" рибосомы каждый раз сдвигалась только на один знак, а считывалось всё время по три знака, как триплет.

Например:

Есть какая-то последовательность нуклеотидов, например: АСГТАГТСААТС...

Таблица 7.2.

И ... смотрим таблицу 7.2.

Следите за цветом букв в результате считывания. Например, смотрим на голубой в первых трех считываниях. Видите, как он меняет позицию при переходах?

Только каждый третий - новый триплет. На 12 полученных триплетов совсем новых - 4.

Видимо такой способ движения рамки по цепи РНК когда-то и определил количество примененных аминокислот в современном рибосомном способе производства белка - 20 аминокислот. Как это происходило?

Вот наглядный пример.

Триплетов по 3 из 4 возможно 64. Как же так? Почему же аминокислот только 20?

Если все знаки триплета полностью изменяются только за три сдвига "рамки считывания", то полностью независимых вариантов в первых 64 триплетах при таком сдвиге рамки будет только:

64:3≈21;	1)

Это, как раз, количество применяемых аминокислот и команда 'Стоп'. Остальные 42 варианта триплетов становятся переходными между этими независимыми [7.16].

Но почему-то так и остался вопрос,... если каждый триплет считывается отдельно и независимо, то почему кодов считывания 64, а аминокислот применяется только 20? И при этом, даже на 21-ю аминокислоту уже постоянного кода нет.

У ученых эта задача пока решения не имеет...

Или ответ формулируется примерно так:

"с.153: "... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным ... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка ... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов"." [7.20]

Но, похоже, мы неверно понимаем явление вырожденности кодонов. Это не расширение возможностей системы в кодировании информации, а "ошибки её прошлого". Это отголосок той, исходной системы кодирования...

Вырожденность кода триплета - вынужденная мера, впрямую связанная с первоначальным способом считывания кода. Так уж получилось в ходе эволюции.

В этом случае понятна вырожденность кода аминокислоты в триплете. Она возникла от исходной перекрываемости кода [7.16], хоть наука и говорит обратное.

И, если все же следовать по этому пути, то из 64 возможных можно выбрать какие-то 21 комбинаций и применить, как основные.

Но, какие? Как клетка могла выбирать?

Самый простой ответ - по максимальной симметрии триплета.

Применим принцип симметричности в поиске нужных сочетаний и проверим, насколько мы правильно поняли путь природного кодирования аминокислот в ДНК. Для этого соберем все варианты симметричных кодов в таблицу 7.3.

Таблица 7.3.

Отличный результат..., 15 из 16 возможных аминокислот получили симметричные коды.

Но, осталось еще 5 аминокислот и СТОП.

Видимо Природа шла тем же путем, ... и споткнулась на том же месте. Все симметричные варианты использованы, запаса для расширения системы нет, а кодов не хватает. Какой следующий вариант применила она для продолжения поиска кодов?

Теперь повторы и один добавочный элемент...

Есть. CAA, AAC, UGG, и вот он основной Стоп-кодон - UAA. Осталось найти еще два кодона... GAC и AUG. Последний и стал Старт-кодоном...

И общее количество основных сочетаний используемых в ДНК и РНК стало - 21.

Таблица 7.3 так и отражает путь поиска основных кодовых обозначений. Но и тут эволюционная логика развития показывает интересный пример. До конца и сразу использованы только полные симметрии. Остальные варианты использованы не сразу и не полностью. Например, для аминокислоты Gly использован основной кодон GGG, а потом добавлен GGU, из неиспользованного резерва...

Вот примерно так, возможно, шел отбор основных кодов. По симметрии и простейшим перестановкам...

Логика действий понятна. Возможно, мы ошиблись в последовательности действий, но это пока не так важно. Это же только вариации на тему.

Созданные форматы кодирования работали до последнего. Сегодня все резервы такого кодирования давно использованы и пришло время совмещения функций, где это возможно.

Например, для стоп-кодона и селеноцистеина. В отличие от других аминокислот, встречающихся в белках, селеноцистеин не имеет своего особого кодона в генетическом коде. В действительности он особым образом кодируется кодоном UGA, который обычно является стоп-кодоном. Такой механизм называется трансляционным перекодированием, а его эффективность зависит от синтезируемого селенопротеина и факторов инициации трансляции.

Профессионалам, наверное, виднее, так ли всё было в действительности, но все же, ... получилось интересно [7.16]. А нам все же надо зафиксировать, что все показанное подтверждает сделанный ранее вывод - первый вариант движения рамки считывания только на одно основание был применен при формировании рибосомного синтеза белка у мезокариот.

А вот научный вариант понимания ограниченности кодов аминокислот:

"Удобнее всего представить код в круговой форме (рис. 7.7). Буквы в центре круга - первые буквы кодонов, вокруг расположены буквы, соответствующие второму положению в кодоне, и, наконец, третий круг - третье положение в кодоне. Четвертое кольцо образуют аминокислотные остатки, представленные в виде трехбуквенных сокращений. Во внешнем круге отмечены физико-химические свойства аминокислот, а именно являются ли они полярными (п) или неполярными (нп). Сразу видно, что каждой аминокислоте соответствует от одного (Met, Trp) до шести (Leu, Arg, Ser) кодонов, то есть код обладает свойством избыточности, или вырожденности (табл. 7.4).

Рис.7.7. Круговое представление кодирования аминокислот в кодонах.


Рис.7.7. Круговое представление кодирования аминокислот в кодонах.

Кодон для метионина одновременно служит инициатором - сигналом начала синтеза полипептида. Кодонов, не кодирующих аминокислот, оказалось всего три: UAA, UAG, UGA. Поначалу их назвали бессмысленными кодонами или нонсенсами (это название сохранилось в научном обиходе до сих пор), однако вскоре выяснилось, что они вовсе не бессмысленны, а представляют собой сигналы терминации синтеза белка. Действительно, в дальнейшем, когда начали расшифровывать нуклеотидные последовательности генов, убедились, что первый же встреченный на иРНК кодон AUG (Met) задает фазу последующего считывания троек, то есть служит той самой фиксированной точкой, с которой начинается считывание. Любой последующий AUG просто кодирует Met. В конце гена обязательно стоит UAA, или UAG, или UGA, а то и два нонсенса подряд.

Знакомство с таблицей генетического кода позволяет заметить, что для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть любым. Следовательно, мутации - замены оснований в третьем положении многих кодонов просто не будут проявляться. Кроме того, ограниченные возможности проявления имеют и мутации, приводящие к замене полярного остатка на полярный или неполярного на неполярный, поскольку они часто близки по своим физико-химическим свойствам. Если такие мутации и проявляются, то проявляются нечетко, то есть мутантный белок не полностью утрачивает свою активность, а лишь частично. Так могли возникать в эволюции так называемые полипептиды-синонимы, имеющие одинаковую укладку и ферментативную активность, но разную первичную структуру. Получается, что генетический код обладает высоким уровнем помехоустойчивости в том, что касается миссенс-мутаций, или мутаций, изменяющих смысл кодонов. Чаще всего проявляются те миссенс-мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные и наоборот." [7.10]

Обратите внимание, например на аминокислоты Ser, Leu или Arg на круговой диаграмме. Их группы кодирования расположены в разных сегментах диаграммы и, на первый взгляд, никак между собой не связаны. Для понимания принципа появления их кодов нам придется рассмотреть, например, симметрии.

И мы увидим: Arg кодируется как - AGA, GGA, СGA, CGC,CGG, CGU.

Для Leu - UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU.

В обоих случаях все коды крутятся вокруг центральных в триплете нуклеотидов.

Для Arg это нуклеотид G, для Leu это нуклеотид U. А вокруг этих центров симметрии уже группируются коды триплетов этих аминокислот. Это основной вариант формирования кодов триплетов. Такие симметрии здесь заполняют основной объем кодирования.

Другой вариант мы видим для SER - AGG, AGU, UCG, UCU, UCC, UCA.

Здесь использовано два центра симметрий G и С. Это уже уникальный вариант кодирования...

Но, мы же недавно прочитали: "для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть любым"?

Если кодирование любой аминокислоты начинается даже не с начальных оснований, а с центра симметрии триплета, то теория воблирования оснований [7.20] теряет часть обоснования.

Конечно, когда-то клетка перешла на способ формирования прямого триплетного сдвига "рамки считывания". И вроде теперь-то уже можно использовать все 64 варианта триплетов, как отдельные кодоны для аминокислот?

Но - нет. Количество аминокислот уже не увеличилось.

Потому, что полного слома той первичной, уже почти забытой системы сдвига рамки считывания не произошло, а значит осталась и та система формирования количества используемых аминокислот. Сегодня мы так и имеем 20 аминокислот и 64 кодона. На каждую аминокислоту приходится от 1 до 6 различных вариантов кодонов.

Говорят, что так получилось от того, что одна аминокислота применяется чаще, а другая реже. Хотя, мы же знаем, при неперекрываемом кодировании для кодирования любой аминокислоты в основаниях ДНК достаточно одного кодового триплета. Повторяй один кодон сколько угодно раз, и получай столько молекул нужной аминокислоты в белке. Легко, просто, понятно. И энергозатраты минимальны.

Если же кодирование аминокислот в последовательности оснований РНК сразу возникло как триплетное, то случайность и хаотичность начального возникновения кодонов не должны были дать конечное количества именно в 20 аминокислот. Оно должно быть ближе к пределу 64 аминокислот из трехсот-то возможных!

Читаем:

"1. Транспортные РНК (тРНК) состоят примерно из 70 нуклеотидов. Каждая тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется аминокислотный остаток, и адаптерный конец, несущий тройку нуклеотидов, комплементарную какому-либо кодону иРНК (см. рис. 2), потому этот триплет назвали антикодоном. Первый и второй нуклеотиды кодона строго следуют правилам комплементарности (A - U; G - C) при взаимодействии с соответствующими нуклеотидами антикодона, а вот взаимодействие с третьим нуклеотидом кодона позволяет себе некоторую нестрогость, неоднозначность спаривания. Благодаря этой неоднозначности каждое семейство кодонов для одной аминокислоты, различающихся по третьему нуклеотиду, может 'обслуживаться' одним антикодоном. С учетом этих правил для считывания всей кодовой таблицы достаточно всего 31 тРНК. Тем не менее все не так просто, и уже у бактерий есть 45 разных тРНК. Их кодируют 78 генов. У дрожжей этих генов уже 400, у мушки дрозофилы - около 750, а у лягушки - уже примерно 8000, то есть получается, что одну молекулу тРНК могут кодировать несколько одинаковых или очень близких по структуре генов, и чем 'дальше' в эволюции, тем больше таких генов для кодирования одинаковых тРНК." [7.9]

Вот видите? Технические возможности этого способа кодирования дают сразу 31 тРНК или даже 45 тРНК для осуществления триплетного синтеза белка. Это ощутимо больше применяемых 20 аминокислот.

Только постепенный переход от одноместного отображения к триплетному может дать имеющийся фактический результат. Все усложнения и дополнения этого процесса получения информации для синтеза белка по шаблону мРНК были уже чуть позже. Вместе с организацией первого централизованного управления на основе машины управления с ферментным уровнем сигнальных путей.

И это уже точно - уровень Субъекта. Уловили? Уже... ферменты.

До применения гормонов еще далеко, но ...

Когда-то клетки так развились в полноценных эукариотов.

Деление клеток.

Мезокариоты пока применяют простейшее бинарное деление, характерное для прокариотических клеток. Читаем здесь:

"Отличительной чертой деления прокариотических клеток является непосредственное участие реплицированной ДНК в процессе деления[1]. В подавляющем большинстве случаев прокариотические клетки делятся с образованием двух одинаковых по размеру дочерних клеток, поэтому этот процесс ещё иногда называют бинарным делением. Так как чаще всего прокариотические клетки имеют клеточную стенку, бинарное деление сопровождается образованием септы - перегородки между дочерними клетками, которая затем расслаивается посередине. Процесс деления прокариотической клетки подробно изучен на примере Escherichia coli[2]." https://ru.wikipedia.org/?curid=2505041&oldid=132311422

И все же, отличия уже есть.

Мезокариоты, уже имеющие первичное клеточное ядро применили амитоз.

Читаем здесь:

"При амитозе морфологически сохраняется интерфазное состояние ядра, хорошо видны ядрышко и ядерная оболочка. Репликация ДНК отсутствует. Спирализация хроматина не происходит, хромосомы не выявляются. Клетка сохраняет свойственную ей функциональную активность, которая при митозе почти полностью исчезает. При амитозе делится только ядро, причем без образования веретена деления, поэтому наследственный материал распределяется случайным образом. Отсутствие цитокинеза приводит к образованию двуядерных клеток, которые в дальнейшем не способны вступать в нормальный митотический цикл. При повторных амитозах могут образовываться многоядерные клетки." https://ru.wikipedia.org/?curid=181363&oldid=93745235

Да, ошибок деления еще много, технология требует серьезной доработки. Процесс деления изменился из-за появления клеточного ядра и фиксированной структуры машины управления в клетке. Теперь надо делить не только ДНК и пространство клетки, но сначала, перед делением, надо удваивать и все функциональные автоматы клетки.

А, это, согласитесь, сложная задача...

Эукариоты

Группы рассматриваемых нами прокариот и эукариот сильно отличаются и по своим средним размерам. Диаметр прокариотической клетки составляет обычно 0,5-10 мкм, тот же показатель у эукариот составляет 10-100 мкм. И потому, объём эукариотической клетки в 1000 - 10 000 раз больше, чем прокариотической. Основные характеристики и составляющие прокариотических клеток уже были показаны [7.5].

А вот об немного эукариотических:

"Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органеллы (другое название, реже употребляемое в научной литературе, - органоиды), из которых многие отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами (в прокариотических клетках внутренние органоиды, окруженные мембраной, встречаются редко). Ядро - это часть клетки, окружённая у эукариот двойной мембраной (двумя элементарными мембранами) и содержащая генетический материал: молекулы ДНК, "упакованные" в хромосомы. Ядро обычно одно, но бывают и многоядерные клетки.

... Важнейшая, основополагающая особенность эукариот связана с расположением генетического аппарата в клетке. Генетический аппарат всех эукариот находится в ядре и защищён ядерной оболочкой. ДНК эукариот линейная (у прокариот ДНК кольцевая и находится в особой области клетки - нуклеоиде, который не отделён мембраной от остальной цитоплазмы). Она связана с белками-гистонами и другими белками хромосом, которых нет у бактерий.

В жизненном цикле эукариот обычно присутствуют две ядерные фазы (гаплофаза и диплофаза). Первая фаза характеризуется гаплоидным (одинарным) набором хромосом, далее, сливаясь, две гаплоидные клетки (или два ядра) образуют диплоидную клетку (ядро), содержащую двойной (диплоидный) набор хромосом. Иногда при следующем делении, а чаще спустя несколько делений клетка вновь становится гаплоидной. Такой жизненный цикл и в целом диплоидность для прокариот не характерны.

Третье, пожалуй, самое интересное отличие, - это наличие у эукариотических клеток особых органелл, имеющих свой генетический аппарат, размножающихся делением и окружённых мембраной. Эти органеллы - митохондрии и пластиды. По своему строению и жизнедеятельности они поразительно похожи на бактерий. Это обстоятельство натолкнуло современных учёных на мысль, что подобные организмы являются потомками бактерий, вступившими в симбиотические отношения с эукариотами. Прокариоты характеризуются малым количеством органелл, и ни одна из них не окружена двойной мембраной. В клетках прокариот нет эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом.

Ещё одно важное различие между прокариотами и эукариотами - наличие у эукариот эндоцитоза, в том числе у многих групп - фагоцитоза. Фагоцитозом (дословно "поедание клеткой") называют способность эукариотических клеток захватывать, заключая в мембранный пузырёк, и переваривать самые разные твёрдые частицы. Этот процесс обеспечивает в организме важную защитную функцию." https://ru.wikipedia.org/?curid=8875&oldid=137084357

Мы уже отметили, что размеры клетки теперь позволяют использовать сложные функциональные автоматы полностью самостоятельного цикла существования, а попросту - бывшие самостоятельные клетки - пластиды, митохондрии ... и т.д. теперь существующие внутри эукариот в качестве клетки-симбионта, точнее - органеллы, составной части всех технологических цепочек гомеостаза эукариоты. Если механистическую и технологическую сложность клетки прокариоты можно сравнивать с большим заводом, то теперь сложность одной клетки эукариоты стала сопоставима с маленьким городом...

Синтез белка.

Крупнейшей технической революцией в синтезе белка стал переход на рибосомный синтез. Видимо, сначала он был пошаговый и однопозиционный. Чтение последовательности РНК шло по одному основанию.

Уже много позже, на каком-то этапе развития рибосомного синтеза, пошаговое чтение рибосомой цепочки РНК при трансляции белка стало меняться на триплетное (по 3 элемента).

Хотя именно пошаговое чтение цепочки нуклеотидов в РНК, по одному нуклеотиду, но с триплетным контролем, как промежуточный вариант перехода к триплетам, предопределил конечное количество аминокислот - 20, применяемых сегодня при рибосомном синтезе белка.

Сейчас ученые нашли использование в строительстве белков еще и 21-ой, селеновой, селеноцистеина, и 22-ой аминокислоты - пирролизина.

Но в системе триплетного рибосомного синтеза белка для них очень сложно найти свободный триплетный код. И клетка часто использует для этих целей кодон "СТОП".

Ну, так получилось...

Эукариоты начали цифровой период клеточного развития [7.5].

Начался он с применения способа сдвига рамки считывания без механической опоры для фиксации сдвига. "Рамка считывания" теперь уже перемещается сразу на триплет, а не на один знак. Это подтверждено множеством экспериментов.

Фактически, это переход к использованию цифрового метода кодирования аминокислот в триплетных кодах. Новый формат кодирования начинается с центрального элемента триплета, а потом учитывается правый и левый элементы кодона.

Так сформирован основной объем триплетов для кодирования аминокислот.

Теперь синтез идет по технологии рибосомного синтеза с шаблона - "зрелой", специально подготовленной для этого, "кодирующей" части мРНК, экзонов .

Остальная "некодирующая" часть мРНК, интроны отделяется в отдельные блоки и в процессе трансляции белка не участвует.

Сложность синтезируемых белков возросла многократно. Это уже отмечалось в [7.16].

Теперь в межклеточном обмене используются новые информационные объекты - гормоны . А в качестве "белкового оружия" уже применяются прионы . Более подробно мы рассмотрим этот процесс чуть позже.

Деление эукариотов.

Уже устранены многие дефекты технологии амитоза, примененной мезоэукариотами. Теперь деление клетки идет длительным путем сложного способа репродукции - митоза .

Читаем здесь:


Рис.7.8. Фазы митоза.

"Продолжительность митоза в среднем составляет 1-2 часа. Митоз клеток животных, как правило, длится 30-60 минут, а растений - 2-3 часа. За 70 лет в теле человека суммарно осуществляется порядка 10¹⁴ клеточных делений.

... Деление всех эукариотических клеток сопряжено с формированием специального аппарата клеточного деления. Активная роль в митотическом делении клеток зачастую отведена цитоскелетным структурам. Универсальным как для животных, так и для растительных клеток является двухполюсное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и связанных с ними белков[18]. Веретено деления обеспечивает строго одинаковое распределение хромосом между полюсами деления, в области которых в телофазе образуются ядра дочерних клеток.

Ещё одна не менее важная структура цитоскелета отвечает за разделение цитоплазмы (цитокинез) и, как следствие, за распределение клеточных органелл. В животных клетках за цитокинез отвечает сократимое кольцо из актиновых и миозиновых филаментов.

В большинстве клеток высших растений из-за наличия жёсткой клеточной стенки цитокинез протекает с образованием клеточной пластинки в плоскости между двумя дочерними клетками. При этом область образования новой клеточной перегородки определяется заранее предпрофазным пояском из актиновых микрофиламентов, а поскольку актин участвует также в формировании клеточных септ у грибов, возможно, что он направляет цитокинез у всех эукариот[19]." https://ru.wikipedia.org/?curid=179965&oldid=133550307

И вот здесь особо интересное для нас:

"Предполагается, что сложный митотический процесс высших организмов развивался постепенно из механизмов деления прокариот. Это предположение подтверждается тем, что прокариоты появились приблизительно на миллиард лет раньше первых эукариот. Кроме того, в митозе эукариот и бинарном делении прокариот принимают участие схожие белки.

Возможные промежуточные стадии между бинарным делением и митозом можно проследить у одноклеточных эукариот, у которых в ходе деления не разрушается ядерная мембрана. У большинства же других эукариот, в том числе растений и животных, веретено деления формируется вне ядра, а ядерная оболочка разрушается в течение митоза. Хотя митоз у одноклеточных эукариот ещё недостаточно изучен, можно предположить, что он произошёл от бинарного деления и в конечном счёте достиг того уровня сложности, который имеется у многоклеточных организмов." https://ru.wikipedia.org/?curid=179965&oldid=133550307

Сказано именно то, что мы и предполагали. Процесс митоза эукариотов последовательно развился из бинарного деления прокариотов.

На этом мы закончим рассмотрение клеток новой формации.

Похоже, только их изучает современная наука и печатных материалов по биологии эукариотов даже в Интернете более чем достаточно. Конечно, потому, что даже мы состоим из эукариотических клеток, а это уже важнейший стимул для их всестороннего изучения.

Мы же сосредоточимся далее на другой стороне клеточного строительства. Мы продолжим рассматривать организационную, управленческую и информационную сторону развития клеток в процессе эволюции.

Вирусные технологии в клетке.

Вирусные технологии обмена информацией как внутри клетки, так и между клетками, стали основным каналом передачи информации с помощью функциональных автоматов. И главным фактором эволюции. Они позволили сформулировать некоторые основы функционального мировоззрения клеток.

Похоже, что субъект и вирус взаимно развивались от горизонтального переноса. Субъект, это же почти и есть клетка. А вирус - её производная. Субъект-клетка производит вирус, а потом вирус, попадая в другую клетку, отдает ей и её субъекту свои "наработки", созданные субъектом первой клетки. Пока я склоняюсь к этой версии.

Видимо, горизонтальным переносом вирусы сформировали в клетке основные функции Субъекта. Пока, как набор базовых функций самостоятельного управления. Эти новые функции позволили продолжить развитие. Примерно об этом говорилось в [7.22].

Первое и главное - все послания, как внутри клетки, так и вне её, должны иметь встроенную функцию самоисполнения заложенного в послание действия. Это и система сигнальных путей между основными комплексами управления группами функциональных автоматов клетки. Это и белковые энзимы, и более сложные гормоны, и плазмиды, и вирусы, и рибосомы, и тРНК, и т.д. Включая ДНК, механизмы её копирования в РНК и трансляцию белков. Все сложные информационные структуры клетки имеют эту вложенную функцию самоисполнения своего действия при тех или иных условиях.

На основе функции самоисполнения заработала и функция активации исполнения программ в системе управления клетки. И постепенно она стала основой существования.

Самоисполняемая встроенная функция расширенного воспроизводства вполне объективно стала технологической частью технического вируса. Собственно, вполне нормальная функция, позволяющая вирусу удлинить срок своего видового существования.

На этой же основе была когда-то сформирована и функция самосохранения.

Сначала для вируса. Точнее, для его сохранения в составе генетической ДНК.

Внедряемые в неё кусочки вирусной ДНК стали самокопироваться, самовырезаться из одной части генома и переходить в другую [7.11]. Примерно также когда-то появились первые плазмиды, а в них появились вирусные включения, которые потом выделились в отдельные объекты - ретротранспозоны, транспозоны, инсерционные последовательности, а также другие мобильные генетические элементы, как исполнительные механизмы программ. Как плазмид, так и следующих за ними многочисленных вирусов. Как во внутреннем объеме клетки, так и для внешней среды. Сегодня такие функциональные самокопии, ретротранспозоны или транспозоны и другие вариации мобильных генетических элементов составляют иногда до 85% генома клетки. Функции самосохранения и расширенного воспроизводства быстро внедрились и в геном клеток.

Это всё могло появиться только в очень малых информационных объемах, таких, как вирусы, а уже потом эти действия были перенесены в субъект как отдельные функции.

Иначе никак не объяснить появление у субъекта таких, очень специфических вирусных функций, как самосохранение, ускоренное самокопирование или расширенное воспроизводство, размножение. Это могли быть функциональные различия какого-то вируса, точнее, того сообщения, которое и стало создавать те же функции субъекту управления клетки.

Ранее мы уже формулировали и "цель" :

Технически, цель управления определяется как задача нахождения фактора влияния на работоспособность управляемого объекта." [7.5]

С другой стороны, цель, это аттрактор [7.6], зона бесконечного приближения в задаче стохастического продвижения, как системы эволюционного развития.

Одно понимание указывает на конкретизацию цели, другое - на отсутствие любой даже потенциальной возможности отказаться от цели или отменить её.

При этом недавно мы сформулировали еще одно понимание цели. Как включение команды самоисполнения при достижении необходимых для этого условий запуска программы, до этого момента находящейся в ждущем режиме.

Условий можно дождаться, а можно ... их создать. И результат будет достигнут.

Целевая задача управления означает нахождение и построение цепи управления объектом на основе информации, получаемой по линии обратной связи. При невозможности своей отмены, цель очень быстро превратилась из технологической задачи достижения результата управления в основной принцип существования.

Достижение цели, как получение результата, стало главным фактором, определяющий развитие субъекта клеток с этого момента.

Так клетки "заболели" функциями, передаваемыми техническими вирусами.

Функция самоисполнения вложенных в память клетки вирусных программ стала в дальнейшем очень востребована. Она дополнила список вирусных функций, перешедших из вирусов в геном и закрепившихся в нем. Все вирусы и информационные сообщения, отправляемые и получаемых как во внутренней среде клетки, так и во внешней, стали использовать эту функцию.

Теперь и клетки стали функциональными автоматами, несущими изначально вирусные функции самосохранения, достижения цели и расширенного воспроизводства. Эти функции, вложенные вирусом в геном, сильно изменили все процессы, происходящие в клетке.

Может быть, эти функции несут те бесконечные ретротранспозоны, заполняющие объем генома и многократно увеличивающие его? Этого я не знаю.

Пока непонятно, как были записаны эти функции нуклеотидами в РНК-геноме, но они закрепились. И стали воспроизводиться при каждом копировании генома.

В любом случае, наличие в геноме ретротранспозонов говорит о главном - их функции записаны как самоисполняемые программы с максимальной защитой от уничтожения. И если механизм их защиты стал универсальным, то он может так же защищать любую информацию, вложенную в эту программу.

Могла ли такая технология создания функциональных вирусов развиваться в клетках без участия какого-то целеформирующего центра?

Да, могла.

Вирусы и... вирусы.

Мы, действительно, почти не отличаем транспортную форму вируса от его развернутой активной формы существования. Для нас это почти одно и то же. Но функционально это совершенно разные состояния.


Рис.7.9. Ротавирус, компьютерная реконструкция на основе данных электронной криомикроскопии.

В первом случае, транспортное состояние вируса является практически нейтральной формой существования обособленного информационного объекта без возможности производить вложенную в него функцию. Для его перехода в активную форму нужны какие-то дополнительные условия, которые и становятся ключом к переходу.

В фазе активного существования вирус меняет свои вид и внутреннюю формацию. Теперь он представляет собой активный объект, выполняющий программу вложенных в него действий в автоматическом режиме.

Современный вирус имеет четко разделенные формы своего существования. Смотрим на рис. 7.9.

Более или менее современный вирус имеет белковую оболочку, защищающую либо ДНК, либо РНК последовательность, которые и представляют собой активную часть вируса с вложенной программой действий. При попадании в на поверхность оболочки новой клетки вирус начинает исполнение своей программы, часто с внедрения вложенной в него ДНК или РНК в геном или мРНК клетки. Вот теперь мы имеем дело со второй формой существования вируса. Теперь в форме мобильного генетического элемента. Но это всё тот же вирус.

Он исполняет свою вложенную в него программу действий и стремится всеми доступными для него мерами продлить свою активную форму существования.

Надолго он там поселился или нет, это зависит от наличия и эффективности имеющихся у клетки средств его обнаружения и уничтожения.

Первоначально сформированные технические вирусы прокариотов своей оболочки не имели. Пересылаемая последовательность была кольцевой, с вложенным в неё автоматом копирования, например, по типу катящегося кольца. Такой вирус не требовал внедрения в геном, а начинал исполнять свою функцию сразу при появлении возможности копирования в новой клетке.

Какая-то копия такого вируса могла попасть в геном и произвести там необходимые изменения. На этом функция такого вируса заканчивалась.

Современные плазмиды так и функционируют.

Таким образом, вирус имеет, как минимум, две разные формы существования.

Это транспортная форма - вирус, и активная форма - мобильный генетический элемент.

По вторичным признакам это разные формы, а по функциональной направленности - один и тот же вирус в двух разных формах существования.

Теперь рассмотрим эти формы чуть подробнее...

Транспортная форма технических вирусов

Это информационные объекты на основе РНК и ДНК для внешнего использования. Плазмиды, бактериофаги и, собственно то, что биологи называют вирусами...

По крайней мере, так они начинались. Как средство обмена информацией между клетками...

Вирус создан случайностью.

Он вдруг получил механизм врезки в геном чужой клетки. Теперь он появляется в клетке, внедряется в геном. Становится его частью. Клетка в процессе поточного копирования всех автоматов, шаблоны которых есть в геноме, начинает копировать и ... вирус. Только что появившийся вирус ... снова внедряется в тот же геном и снова включается аппарат копирования, и снова внедрение...

Очень скоро уже весь геном клетки состоит из шаблонов ... вируса.

Всё. Захват и уничтожение клетки состоялось.

Бактериофаги здесь являются наиболее многочисленной группой:

"Бактериофаги или фаги (от др.-греч. φᾰγω 'пожираю') - вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки.

Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис . Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК).

Общая численность бактериофагов в природе примерно равна общей численности бактерий (10³⁰ - 10³² частиц). Бактериофаги активно участвуют в круговороте химических веществ и энергии, оказывают заметное влияние на эволюцию микробов и бактерий." https://ru.wikipedia.org/?curid=54897&oldid=136848888

Сегодня это один из главных вариантов исполнение вложенной программы вирусов среди массы других, не менее вредоносных. Но ... в задачу фага не всегда входит только этот вариант. Чаще бактериофаги имеют и другие задачи. Они "оказывают заметное влияние на эволюцию микробов и бактерий"...

Дополним:

"Размеры фагов колеблются от 20 до 200 микрон, т.е. в тех же пределах, что и размеры вирусов. Величина и форма фагов варьируют в довольно широких пределах даже у особей одного и того же вида, что говорит о морфологической изменчивости фагов.

Фаги могут существовать в двух формах:

1) внутриклеточной (это профаг, чистая ДНК);

2) внеклеточной (это вирион)." https://studopedya.ru/1-103060.html

Как мы видим, здесь разделение фаз существования уже разделено. Фаги существуют в двух формах. Транспортной форме - вириона и активной, в составе генома - профага.

Потому мы и говорим о фаге, как о техническом вирусе.

Вот пример:

Добавим к этому: И содержащих РНК - тоже. Это, ретровирусы.

Оказывается, фаги способны переносить генетический материал от донора к реципиенту. Первая задача технического вируса видимо и состояла в ... трансдукции.

"Трансдукция (от лат. transductio - перемещение) перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса (См. Вирусы), что приводит к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Явление Т. было открыто американскими учёными Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952. Особые бактериальные вирусы - умеренные фаги (см. Бактериофаги) в процессе вегетативного размножения способны случайно захватывать и переносить в др. клетки любые участки ДНК лизируемых, то есть разрушаемых ими, бактерий (общая, или неспецифическая, Т.). Длина переносимого (трансдуцируемого) отрезка ДНК определяется размером белковой оболочки фаговой частицы и обычно не превышает 1-2% бактериального Генома. Переносимый отрезок может содержать несколько Генов. Поскольку вероятность такой сцепленной Т. зависит от расстояния между генами в молекуле ДНК, образующей хромосому бактерии, явление Т. широко используется при составлении генетических карт хромосом (См. Генетические карты хромосом) бактерий. Генетический материал фага в таких трансдуцирующих частицах отсутствует; поэтому, вводя ДНК в клетку, они не осуществляют все остальные функции фага: не размножаются, не лизогенизируют клетку (см. Лизогенизация) и не наделяют её иммунитетом к фагу.

Внесённый фрагмент может существовать в клетке в виде дополнительной генетического элемента, обладающего функциональной активностью. Поскольку такой фрагмент не способен воспроизводиться, при каждом клеточном делении он передаётся лишь в одну из дочерних клеток. За исключением этой клетки свойства всего остального потомства остаются без изменений (абортивная Т.). В дальнейшем фрагмент может быть либо разрушен, либо включен в хромосому бактерии, заменив в ней гомологичный участок ДНК. В последнем случае новые признаки, приобретённые клеткой-трансдуктантом, будут свойственны всему потомству этой клетки (полная Т.)." https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/140752/Трансдукция

Здесь мы хорошо видим механизм действия трансдукции. Всё происходит случайным образом. Как получится, так и хорошо. Изначальной целевой задачи пока нет.

Такая задача стала появляться позже, уже на этапе вирусной войны.

Это доказывает, что механизмы трансдукции формировались клетками имеющими первые машины управления, еще до появления централизованного управления Субъекта. На основе горизонтального переноса.

Собственно, развитие у клеток механизмов трансдукции и привело их к вирусной войне.

Теперь понятно, что все аденовирусы, паповавирусы и т.д. имели общих предков, в виде правирусов, тех самых технических вирусов. Скорее всего, это были простейшие ретровирусы.

Плазмиды, это те же правирусы, как раз и используемые клетками по их первому назначению, для обмена самой важной информацией:

"Плазми́ды - небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Как правило, плазмиды встречаются у бактерий и представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы, но изредка плазмиды встречаются также у архей и эукариот.

В природе плазмиды обычно содержат гены, повышающие устойчивость бактерии к неблагоприятным внешним факторам (в т. ч. устойчивость к антибиотикам), нередко они могут передаваться от одной бактерии к другой (иногда даже к бактерии другого вида) и, таким образом, служат средством горизонтального переноса генов." https://ru.wikipedia.org/?curid=121100&oldid=130119527

Отметим, что все вирусы, а также и плазмиды, переносят информацию в виде цепочек РНК или ДНК во внешней среде от одной клетки до другой. И почти все они обладают способностью производить сплайсинг, врезку информации в гены клетки, и наоборот, вырезать часть гена для переноса от одной клетки в другую.

На материале аденовирусов впервые было открыто явление альтернативного сплайсинга, вырезки и сшивки цепочек ДНК клетки в каком-то своем порядке, а не так, как это обычно делается в клетке. Целевая направленность производимой функции здесь вполне понятна.

Вирус специализирован на переносе своей функциональной программы от одной клетки к другой. Он заводит свою цепочку РНК или ДНК в клетку и встраивается в геном. Тут он еще и добавляет в геном что-то свое. При воспроизведении клеткой вирус что-то копирует из генома клетки и переносят в другую клетку. На этом его алгоритм действий заканчивается.

Потом такой вирусный цикл повторяется бесконечно.

Что дальше? А, ничего.

Случайность так далеко не работает...

Мобильные генетические элементы.

Это вторая форма существования вирусов, теперь как информационные объекты на основе РНК и ДНК. Мы к ним обращались уже не раз.

Правда, у биологов несколько другой подход к этому вопросу. Они иначе определили группы сигналов клетки. Примерно так:

"Мобильные генетические элементы (МГЭ, англ. Mobile genetic elements, MGE) - последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома.

Существует несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения:

 Транспозоны, например, Tn5;

 Инсерционные элементы, например, IS1603;

 ДНК-транспозоны;

 Ретротранспозоны;

 Плазмиды, например, половой фактор кишечной палочки (F-плазмида);

 Бактериофаги, например, Mu, интегрирующиеся случайно в участки генома;

 Интроны второй группы.

Хотя мобильные элементы в целом являются 'генетическими паразитами', вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами." https://ru.wikipedia.org/?curid=1426865&oldid=133348999

Мы видим в одной куче все подряд виды и типы мобильных или временных элементов из цепочек РНК или ДНК в клетке.

Как работают эти мобильные генетические элементе в клетке?

Продолжим знакомство и разберемся...

Вот например, так:

"Размеры подвижных элементов сопоставимы с сильно изменчивыми длинами настоящих генов, локализация которых в геноме стабильна. Почему эти фрагменты ДНК могут перемещаться в геноме? Как мы увидим, способность к перемещениям определяется особенностями их структуры и наличием белков-ферментов, обеспечивающих эти перемещения (транспозиции). Перемещения осуществляются либо путем вырезания элемента из одного места и встраивания его в другое, либо путем образования копии подвижного элемента, внедряющейся в новое место, тогда как родительская копия остается на прежнем месте. В последнем случае будет происходить размножение подвижных элементов, увеличение их числа в геноме. В некоторых случаях подвижный элемент, покидая хромосому, оставляет след своего былого присутствия, локально изменяя нуклеотидную последовательность ДНК. Открытие подвижных (мобильных) элементов показало, что последовательность нуклеотидов ДНК по длине хромосомы не неизменна, она может изменяться благодаря перемещению этих элементов. Оказалось, что подвижные элементы, встраиваясь в гены или окрестности генов, вызывают мутации. Так, например, у плодовой мушки дрозофилы подавляющая часть (более 80%) мутаций, возникающих спонтанно (то есть не вызванных облучением или химическими агентами), обусловлены внедрением подвижных элементов. Достаточно неожиданной оказалась способность подвижных элементов изменять и даже повышать уровень активности близлежащих генов. Эти открытия позволили по-новому взглянуть на природу мутационных процессов и молекулярных механизмов эволюции генома."[7.11]

Биологи их различают, но где-то в других научных трудах. Я таких пока не нашел.

Некоторые мобильные элементы, как бактериофаги и плазмиды, предназначены для существования во внешней среде до попадания внутрь других клеток, которыми Субъект нашей клетки тоже пытается "порулить". А другие элементы, это уже развернутая часть вируса, закрепившаяся в клетке, это различные ретротранспозоны и транспозоны. Третьи применяются клеткой как сигнальные элементы для внутренней среды, даже чаще только для области генома. Четвертые, это просто ошибки копирования...

Теперь мы уже это знаем...

Мы пока не рассматриваем уничтожение клеток и вирусов от внедрения других вирусов, как действие, направленное именно на уничтожение. Чаще, это просто такая программа размножения, которая не учитывает боковые последствия своего исполнения. Как хищник не учитывает смерть своей "пищи", как уничтожение "живого". Для него это пища...

И потому, для нас вирусы, это только технические информационные объекты, содержащие какую-то исполнительную программу в неактивной форме. Программа будет активизирована только при попадании вируса в нужные для этого условия.

Информационные объекты на основе РНК и ДНК в геноме.

Некоторые из мобильных элементов, это и есть активизированные вирусные программные модули, находящиеся в геноме или мРНК инфицированной клетки.

Они работают непосредственно в объеме клетки или в геноме.

Это информационные объекты, сформированные клеткой-отправителем, для работы в цитоплазме или в геноме клетки получателя. Вот эти-то активные объекты в сегодняшнем техническом их понимании и являются настоящими вирусами, выполняющими заложенную в них функцию во внутренней среде клетки получателя.

Внешняя оболочка и механизмы доставки, которые биологами называются вирусами, на самом деле таковыми не являются. Это лишь транспортная форма вируса, грузовые контейнеры или посылочные ящики системы доставки грузов получателю.

Когда-то в эту группу входили бактериофаги и плазмиды или что-то подобное. А потом вирусы выделились в отдельную группу. Но далее мы с этим внимательно разбираться не будем...

Лучше посмотрим на сами эти активные информационные объекты генома чуть ближе:

Ретротранспозоны, это цепочка РНК, которая формируется из врезки части РНК ретровируса в РНК клетки. Часто они с помощью обратной транскрипции РНК ревертазой с образованием комплементарной ДНК попадают в ДНК клетки. Перемещается по ДНК и РНК копиям, копируется средствами клетки в виде ретровирусов и передается в соседние клетки.

ДНК-транспозоны, это уже цепочка ДНК, находящаяся непосредственно в геноме. Эти транспозоны умеют самовырезаться из одного участка ДНК и перемещаться в другой, самокопироваться многократно. В некоторых геномах траспозоны занимают до 85% объема.

Инсерционные элементы, в общем случае, часть транспозона, это отдельная транспозаза, последовательность, кодирующая производства фермента, помогающего делать перемещение транспозона и последующую врезку в геном.

Интроны группы II

"Интроны группы II, это некодирующие части генома, класс самосплайсирующихся интронов. До сих пор они обнаружены только в митохондриях и хлоропластах растений и у грибов. И хотя большинство из них расположено в генах, кодирующих белки, интроны группы II присутствуют также в генах некоторых тРНК и мРНК.

Сплайсинг интронов группы II составляет особенный интерес для биологов-эволюционистов из-за интригующего сходства механизмов их сплайсинга и сплайсинга молекул пре-мРНК.

Подобно интронам группы I, РНК, принадлежащие к классу молекул включающих интроны группы II, складываются во вполне определенную третичную структуру. В нефизиологических условиях (умеренно повышенная температура и высокая концентрация ионов Mg2+) ряд интронов группы II способны к самостоятельному выщеплению себя из первичных молекул РНК в отсутствие любых белков. Однако они нуждаются в дополнительных направляющих факторах сплайсинга в условиях in vivo. Действительно несплайсируемые интроны группы II у грибов кодируют белки созревания (матуразы), которые помогают вырезать эти интроны. Реакции трансэтерификации выполняемые интронами группы II в точности соответствуют реакциям сплайсинга молекул пре-мРНК в ядре. Во-первых, 5/-сайт сплайсинга атакуется внутренним аденозином, представляющим собой точку ветвления, с образованием промежуточной петли (сравните рис. 15-14В и рис. 15-6В). Освободившийся экзон атакует 3/-сайт сплайсинга при этом происходит соединение двух экзонов. Наиболее ярким отличием этих двух видов сплайсинга является то, что даже в условиях in vitro сплайсинг пре-мРНК требует присутствия мяРНК U1, U2, U4, U5 и U6, а также 100 белковых факторов и энергетических затрат.

Интересно, что внутримолекулярная вторичная структура интронов группы II формирует каталитический центр, который имеет большое сходство с межмолекулярным спариванием оснований малых ядерных РНК в сплайсисоме (рис. 15-14С). Это подводит к предположению, что отдельные элементы, расположенные в интронах группы II, являются прародителями (предшественниками) аппарата сплайсинга ядерных пре-мРНК. В ходе эволюции каталитически активные элементы интронов группы II могли быть удалены из состава интронов и разделиться на несколько самостоятельных малых ядерных РНК. Благодаря комплементарному спариванию и опосредованным белками взаимодействиям эти молекулы РНК собрались в сплайсисому с формированием каталитического центра, похожего на каталитический центр интронов группы II. В результате образовалась структура способная действовать на множество различных молекул пре-мРНК. В сущности сплайсинг интрона у Chlamydomonas по-видимому является промежуточным случаем, где каталитический центр образован тремя разными молекулами РНК." https://studopedia.ru/9_4946_introni-gruppi-II.html

Как мы понимаем, это остатки собственной первичной системы сплайсинга при подготовке трансляции белков рибосомным способом. Это свои ретроэлементы в составе генома, остатки, ошибочные повторы и неубранный "мусор"...

Но иногда такой ретроэлемент вдруг становится активным, если появились необходимые условия для этого, и тогда он начинает вести себя как активная вирусная программа, выполняя заложенные в него функции.

Белковые информационные объекты.

Это информационные объекты для внешнего использования, как и вирусы.

Но, теперь это уже ... белки. Группа белковых аналогов "технических вирусов".

Принцип действия примерно тот же. Клетка сбрасывает такой "сигнал" во внешнюю среду. "Сигнал" доходит до клетки. И исполняет там вложенную функцию.

В этой ветви развития вирусов появились программируемые сложные белковые автоматы - ферменты и гормоны.

Гормоны специализированы для работы во внешней среде. Но часто они доходят непосредственно и до ядра клетки-получателя.

Вот примерно, как работают гормоны:

"Ныне известно, что в соответствующих тканях-мишенях имеются специфические химические структуры с участками, предназначенными для связывания гормонов - т. н. гормональные рецепторы.

В качестве спецучастков выступают, как правило, углеводные фрагменты гликопротеинов и ганглиозидов.

Связывание гормонов рецепторами вызывает определенные биохимические реакции, за счет чего, собственно, и реализуется итоговый эффект гормона.

Локализация рецепторов при этом зависит от природы гормона: в случае стероидной природы рецепторы расположены в ядре, а в случае белковой или пептидной - на наружной поверхности (плазматической мембране). Вне зависимости от расположения между рецептором и гормоном всегда существует четкое структурное и пространственное соответствие." https://ru.wikipedia.org/?curid=62266&oldid=136155396

Иногда такой сигнал непосредственно проникает в клетку и находит своего "получателя" там. А основная масса гормонов включают "сигнал своего прибытия" какого-то клеточного рецептора еще на внешней стороне оболочки клетки-получателя. Далее формируется целый каскад биохимических реакций, в том числе и с формированием ферментных каскадов для исполнения всей программы, вложенной в гормон...

Ферменты работают чуть иначе:

"Ферменты, или энзимы, (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον - закваска) - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.

... Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы - повышают, ингибиторы - понижают).

Белковые ферменты синтезируются на рибосомах,...

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ в другие. Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов. Они играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10⁻¹⁰ моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов "операций' в секунду." https://ru.wikipedia.org/?curid=17099&oldid=136801886

Как мы видим, ферменты, это в основном, катализатор и регулирующий сигнал для тех или иных биохимических реакций внутренней среды клетки. Часто внутренний фермент выступает переносчиком внешнего сигнала во внутренней среде клетки. Есть несколько путей действия такого "сигнала", как исполнительной программы. Но чаще всего включаются в работу ферментные каскады, которые и доносят сигнал до адресата в клетке.

Прионы, в отличии от многих других белковых "вирусов" не только проникают непосредственно в клетку, но и блокируют белок, перестраивая его в другую форму:

"Прион - это белок с аномальной третичной структурой, способный катализировать конформационное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул.

Прионы - единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Вопрос о том, считать ли прионы формой жизни, в настоящий момент является открытым." https://ru.wikipedia.org/?curid=52329&oldid=136765662

Лучше считать прионы формой белковых вирусов.

Проблем меньше будет...

Заканчивая о вирусах...

Для понимания соберем все основные группы мобильных информационных объектов клетки в таблицу.

Группы показанных информационных объектов саморегулируемой клетки создали ветви развития всех систем передачи сообщений в пространстве единой системы управления субъекта. Это мы пока просто постараемся запомнить...

Мобильными информационными объектами в клетке можно признать как элементы сигнальной системы клетки (химические элементы, пептиды, ферменты), так и сигнальные элементы влияния во внешней среде ( вирусы, плазмиды, бактериофаги, гормоны, прионы...).

Химические элементы, как первые сигнальные элементы в клетке представлены в мембранном транспорте. Сигнальными рецепторами их появления стали разнообразные лиганды и эффекторы.

Транспортная форма вирусов представлена бактериофагами, плазмидами, и конечно, разнообразными вирусами с ДНК и РНК активным материалом, вводимым в клетку.

Смотрим таблицу 7.5.

Таблица 7.5

Группы информационных объектов клетки	Геном	Внутренняя среда	Внешняя среда
Химические элементы		Мембранный транспорт	эффекторы лиганды
РНК	Ретротранспозоны Интроны второй группы микро-РНК CRISPR		Бактериофаги РНК-вирусы
ДНК	Транспозоны ДНК-транспозоны Инсерционные элементы Минисателлитные и микросателлитные ДНК		Плазмиды ДНК-вирусы
Белки	Интерфероны	Пептиды, ферменты, АТФ	Клеточный рецептор Гормоны. Прионы.

Основная масса вирусов, закрепляются в составе генома в виде мобильных генетических элементов. В геноме клетки находится большое количество таких активированных вирусных программ, выполняющих свою вложенную в них функцию (ретротранспозоны, транспозоны, инсерционные элементы и т.д.). Также к мобильным информационным объектам генома относятся и все виды ошибок копирования с образованием самых различных повторов (тандемные повторы, минисателлитные ДНК, микросателлитные ДНК и т.д.). Микро и минисателлитные ДНК, это вариаторы случайных мутаций в парах дополнений оснований. Это самые древние механизмы изменений генома в клетке. Тут работает случайность.

Таким образом, в геноме клетки находится одновременно огромное количество различных мобильных информационных объектов, способных в тех или иных условиях влиять на работу как отдельных функциональных систем клетки, так и на работу клетки в целом...

Белковые соединения пептиды и ферменты создали сигнальную систему клетки. Информационные объекты внешних связей между клетками это ферменты и гормоны.

В этом направлении клетка реализовала и "белковые боевые вирусы", прионы.

Борьба клеток с вирусами.

Пока мы говорим только об отдельных клетках, бактериях. По этой причине мы даже не рассматриваем уровень борьбы многоклеточного организма с вирусной инфекцией.

Какие же способы борьбы с вирусами выработала отдельная клетка?

Время для формирования целого комплекса необходимых средств борьбы с вирусами у бактерий было. Миллионы лет. И результат вполне достойный.

Читаем [7.21]:

"На сегодня известно несколько стратегий, которые бактерии используют в борьбе с вирусами и плазмидами, в результате чего удается либо воспрепятствовать проникновению чужеродной ДНК в бактериальные клетки, либо уничтожить ее уже внутри бактерии.

К таким способам защиты относятся:

 изменение бактериальных клеточных рецепторов (1),

 исключение суперинфекции (множественного заражения) (2),

 системы рестрикции-модификации, разрушающие всю "чужую" неметилированную ДНК (3).

В некоторых случаях бактериальная клетка даже идет на "самоубийство", чтобы ограничить численность вирусного потомства (системы абортивной инфекции) (4).

Одним из самых впечатляющих примеров механизмов бактериального иммунитета являются системы CRISPR-Cas, основанные на "запоминании" патогенов (5)"[7.21]

Многоклеточные организмы постепенно обзавелись и принципиально другой системой антивирусной защиты. Это интерфероны.

К сожалению, средства защиты всегда формируются уже после применения средств нападения и всегда немного отстают от них в техническом развитии. Наверное, по этой причине вирусы пока столь распространены на Земле и не отдают инициативы в глобальной войне за выживание.

А вариационные изменения вирусов безграничны. И клеткам надо успевать отвечать на это столь же совершенными средствами защиты, чтобы противостоять вирусам в этой бесконечной борьбе за существование...

Машина управления клетки.

Мы так долго шли к этому моменту, что уже почти забыли, что мы хотели понять.

А хотели мы узнать: Где же находится в клетке эта самая машина управления?

Тут надо немного подумать...

Конечно, сразу и точно указать в клетке на тот узел, который является центром её управления вряд ли получится. И не потому, что не знаю, а потому, что... нет его.

Вот такого, как компьютер, отдельно расположенного, куда стекаются все информационные потоки.

Есть нечто другое. Вся клетка постепенно сформировалась как большой автомат, в котором отдельные его части активно обмениваются информацией в самых разных её видах.

И все же можно выделить основные составляющие этой машины.

Начнем...

Сигнальная система эукариот.

Конечно, такая сложная в управлении клетка имеет и сложные системы связи как внутри клетки, так и во внешней среде:

"Передача сигнала (сигнальная трансдукция, трансдукция , сигналинг, сигнализация, англ. signal transduction) - в молекулярной биологии термин "Передача сигнала" относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала или стимула в другой.

Существование сложных многоклеточных организмов возможно благодаря координации биохимических процессов, протекающих в их клетках. Основой такой координации служат межклеточная коммуникация и передача сигнала внутри отдельных клеток. Вместе это даёт возможность одной клетке контролировать поведение остальных. В большинстве случаев передача сигнала внутри клетки представляет собой цепь последовательных биохимических реакций, осуществляемых ферментами, часть из которых активируется вторичными посредниками. Такие процессы обычно являются быстрыми: их продолжительность - порядка миллисекунд в случае ионных каналов и минут - в случае активации протеинкиназ и липид-опосредованных киназ. Однако в некоторых случаях от получения клеткой сигнала до ответа на него могут проходить часы и даже сутки (в случае экспрессии генов). Пути передачи сигнала, или сигнальные пути, часто бывают организованы как сигнальные каскады (англ. signal cascade): количество молекул белков и других веществ, принимающих участие в передаче сигнала, возрастает на каждом последующем этапе по мере удаления от первоначального стимула. Таким образом, даже относительно слабый стимул может вызывать значительный ответ. Это явление называется амплификацией сигнала.

Первичные посредники

Первичные посредники - это химические соединения или физические факторы (квант света), способные активировать механизм передачи сигнала в клетке. По отношению к воспринимающей клетке первичные посредники являются экстраклеточными сигналами. Стоит отметить, что в качестве экстраклеточных стимулов могут выступать и молекулы, в изобилии присутствующие внутри клетки, но находящиеся в норме в очень низкой концентрации в межклеточном пространстве (например, АТФ или глутамат[2][3]). В зависимости от функций первичные посредники могут быть разделены на несколько групп:

 гормоны

 цитокины

 нейротрансмиттеры

 факторы роста

Получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивается особыми белками-рецепторами, для которых первичные посредники являются лигандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

 обладать высокой избирательностью к лиганду;

кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

 мембранные

 рецепторные тирозинкиназы

 рецепторы, сопряжённые с G-белками

 ионные каналы

 цитоплазматические

 ядерные

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа[2].

Механизмы активации рецепторов

Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

 белки-преобразователи, связанные с рецепторами

ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируют вторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Так действуют рецепторы, сопряженные с G-белками. Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы с протеинкиназной активностью) сами служат умножителями.

Рецепторы

1. обладать высокой избирательностью к лиганду;

2. кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

3. рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

4. связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

 мембранные

 рецепторные тирозинкиназы

 рецепторы, сопряжённые с G-белками

 ионные каналы

 цитоплазматические

 ядерные

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа[2].

Механизмы активации рецепторов

Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала.

Рис.7.10. Ключевые компоненты сигнального пути Ras-MAPK/ERK

Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:


Рис.7.10. Ключевые компоненты сигнального пути Ras-MAPK/ERK

 белки-преобразователи, связанные с рецепторами

Механизм

Передача сигнала предполагает примерно следующую схему:

 взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,

 активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,

 образование вторичных посредников,

 активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,

 исчезновение посредника." https://ru.wikipedia.org/?curid=777504&oldid=132815045

Сигнальные пути

Как всегда, начнем с цитаты:

"Иногда активация рецептора внешним стимулом сразу приводит к ответу клетки. Например, когда нейротрансмиттер ГАМК активирует свой рецептор, входящий в состав ионного канала на поверхности нейрона, канал начинает пропускать ионы хлорида, что приводит к изменению мембранного потенциала всей клетки.

В других случаях активация рецептора лишь инициирует цепь событий, передающих регуляторный стимул внутри клетки через более или менее длинную цепь посредников. Такая цепь называется сигнальным путём.

Сигнальные пути

Большинство сигнальных путей активируются в ответ на внешние по отношению к клетке сигналы, такие как нейротрансмиттеры, гормоны и ростовые факторы. Меньшинство же начинается с сигналов, генерируемых внутри клетки[1].

К хорошо изученным сигнальным путям относятся PI3K-, Wnt-, цАМФ- и MAPK-сигнальные пути." https://ru.wikipedia.org/?curid=777504&oldid=132815045

На рис. 7.10. показана только инфографика сигнального пути. Реальная схема, даже очень упрощенная, значительно сложнее.

Центриоль

Эту органеллу клетки мы раньше не рассматривали. Просто потому, что она не фиксировалась у прокариот. Центриоль появилась только у эукариотов. Как органелла, формирующая центр клеточного деления:


Рис.7.11. Модель центриоли. Изображены девять триплетов микротрубочек.

"Центриоль - внутриклеточная органелла эукариотической клетки. Размер центриоли находится на границе разрешающей способности светового микроскопа.

Эти органеллы в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления и располагаются на его полюсах. В неделящихся клетках (например, эпителия) центриоли часто определяют полярность клеток и располагаются вблизи комплекса Гольджи.

Тонкое строение центриолей удалось изучить с помощью электронного микроскопа. В некоторых объектах удавалось наблюдать центриоли, обычно расположенные в паре (диплосома), и окруженные зоной более светлой цитоплазмы, от которой радиально отходят тонкие фибриллы (центросфера). Совокупность центриолей и центросферы называют клеточным центром.

Чаще всего пара центриолей лежит вблизи ядра. Каждая центриоль построена из 27 цилиндрических элементов (тубулиновых микротрубочек), сгруппированных в 9 триплетов. Эти триплеты расположены по окружности, образуя полый цилиндр. Его длина - 0,3-0,5 мкм (равна длине каждого триплета), а диаметр - около 0,15 мкм. В каждом триплете первая микротрубочка (А-микротрубочка) имеет диаметр около 25 нм, толщину стенки 5 нм и состоит из 13 протофиламентов. Вторая и третья микротрубочки (B и C) отличаются от A-микротрубочки тем, что они являются неполными, содержат 11 протофиламентов и вплотную примыкают к своим соседям. Каждый триплет располагается к радиусу такого цилиндра под углом около 40R.

Центриоли всегда бывают расположены в материале, не имеющем чётко выраженной структуры, который инициирует развитие микротрубочек. Эту область клетки называют центросомой. Именно она образует веретено деления, а не центриоли. Это позволяет объяснить тот факт, почему растения и грибы, не имеющие центриолей, способны образовывать веретено. Функция центриолей остаётся неизвестной. Возможно, они участвуют в ориентации веретена согласно полюсам, к которым будет происходить деление клетки (цитокинез). Модифицированные центриоли также находятся у основания жгутиков и ресничек у простейших, там их называют базальными тельцами.

Обычно в течение клеточного цикла центриоль удваивается один раз. Рядом с каждой половинкой 'материнской' центриоли достраивается 'дочерний' цилиндрик; происходит это, как правило, в течение G2-периода интерфазы. В профазе митоза две центриоли расходятся к полюсам клетки и формируют две центросомы. Центросомы в свою очередь служат ЦОМТами (центрами организации микротрубочек) веретена деления. Однако от этой общей схемы существует масса отклонений. Во многих клетках центриоли многократно удваиваются за один клеточный цикл. " https://ru.wikipedia.org/?curid=149888&oldid=127505418

Мы уловили, что трубочки центриоли группируются в триплеты. Видимо, для клетки это наибольшее возможное количество.

Центриоль зафиксировала конец "бинарного деления" клеток прокариот. Раньше клетка делилась, в общем, почти случайным образом, а потом новые клетки достраивали свои органеллы до полного комплекта уже самостоятельно. Потом появился какой-то порядок в этом процессе в виде простейшего амитоза. Появление центриолей, а за ними и клеточного центра деления постепенно перевели этот процесс в строгие плановые рамки митоза. Теперь цикл деления клетки разделился на несколько хорошо различимые фаз деления: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза, цитокинез. Последней ступенью усложнения процесса деления клеток стал мейоз. Но о нем мы пока не говорим...

Теперь клетка заранее формирует полный комплект всех органелл новой половины деления, вместе с полным копированием и генома клетки. И только после окончания этого процесса начинается процедура перехвата тела клетки межклеточной перетяжкой, как и у прокариот, но с формированием двух отдельных одинаковых клеток.

Понятно, что весь процесс идет с применением копирования многих функциональных автоматов клетки по шаблонам из генома. Но белковая их часть синтезируется и ставится в нужное место уже по кодирующей информации генома.

Аппарат Гольджи.

Сразу цитата:

"Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок (диктиосомы), в животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединённых трубками стопок.

В комплексе Гольджи выделяют 3 отдела цистерн, окружённых мембранными пузырьками:

 Цис-отдел (ближний к ядру);

 Медиальный отдел;

 Транс-отдел (самый отдалённый от ядра).

Эти отделы различаются между собой набором ферментов. В цис-отделе первую цистерну называют "цистерной спасения", так как с её помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно.

Функции:

1. Разделение белков на 3 потока:

- лизосомальный - гликозилированные белки (с маннозой) поступают в цис-отдел комплекса Гольджи, некоторые из них фосфорилируются, образуется маркёр лизосомальных ферментов - манноза-6-фосфат. В дальнейшем эти фосфорилированные белки не будут

подвергаться модификации, а попадут в лизосомы.

- конститутивный экзоцитоз (конститутивная секреция). В этот поток включаются белки и липиды, которые становятся компонентами поверхностного аппарата клетки, в том числе гликокаликса, или же они могут входить в состав внеклеточного матрикса.

- Индуцируемая секреция - сюда попадают белки, которые функционируют за пределами клетки, поверхностного аппарата клетки, во внутренней среде организма. Характерен для секреторных клеток.

2. Формирование слизистых секретов - гликозамингликанов (мукополисахаридов)

3. Формирование углеводных компонентов гликокаликса - в основном гликолипидов.

4. Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов

5. Частичный протеолиз белков - иногда за счёт этого неактивный белок переходит в активный (проинсулин превращается в инсулин).

Рис.7.12. Мембранные органеллы эукариотической клетки.


Рис.7.12. Мембранные органеллы эукариотической клетки.

...В цистернах аппарата Гольджи созревают белки, предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т. д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам в органеллы, в которых происходят их модификации - гликозилирование и фосфорилирование. При О-гликозилировании к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода. При фосфорилировании происходит присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты.

...Разные цистерны аппарата Гольджи содержат разные резидентные каталитические ферменты и, следовательно, с созревающими белками в них последовательно происходят разные процессы. Понятно, что такой ступенчатый процесс должен как-то контролироваться. Действительно, созревающие белки "маркируются" специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), по-видимому, играющими роль своеобразного "знака качества".

Не до конца понятно, каким образом созревающие белки перемещаются по цистернам аппарата Гольджи, в то время как резидентные белки остаются в большей или меньшей степени ассоциированы с одной цистерной.

...В конце концов от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки. Главная функция аппарата Гольджи - сортировка проходящих через него белков. В аппарате Гольджи происходит формирование "трехнаправленного белкового потока":

 созревание и транспорт белков плазматической мембраны;

 созревание и транспорт секретов;

 созревание и транспорт ферментов лизосом.

С помощью везикулярного транспорта прошедшие через аппарат Гольджи белки доставляются "по адресу" в зависимости от полученных ими в аппарате Гольджи "меток". Механизмы этого процесса также не до конца понятны. Известно, что транспорт белков из аппарата Гольджи требует участия специфических мембранных рецепторов, которые опознают "груз" и обеспечивают избирательную стыковку пузырька с той или иной органеллой.

... Практически все секретируемые клеткой вещества (как белковой, так и небелковой природы) проходят через аппарат Гольджи и там упаковываются в секреторные пузырьки. Так, у растений при участии диктиосом секретируется материал клеточной стенки." https://ru.wikipedia.org/?curid=266032&oldid=136255692

Прочитали? Сложно? Здесь видимо говорится о системе подготовки вывода готовых сообщений, естественно, на программном языке белков. Язык этот очень химический.

Ну хорошо, это система доработки обобщенных ферментных или гормональных команд и сообщений "в общем". Здесь "сигналы" дорабатываются до конкретики, привязываются к нужному каналу сигнальных путей, проверяются на "исправность" и комплектность... и отправляются в путь ко всем внутренним и внешним получателям этих белковых программных сообщений или исполнительных команд.

Механизм сложный, пока нам не очень понятный, но хоть как-то осознаваемый.

А где создаются все сообщения?

Смотрим далее...

Эндоплазматический ретикулум

Справка:

"Эндоплазмати́ческий рети́кулум (ЭПР) (лат. reticulum - сеточка), или эндоплазматическая сеть (ЭПС), - внутриклеточный органоид эукариотической клетки, представляющий собой разветвлённую систему из окружённых мембраной уплощённых полостей, пузырьков и канальцев.

Эндоплазматический ретикулум состоит из разветвлённой сети трубочек и карманов, окружённых мембраной. Площадь мембран эндоплазматического ретикулума составляет более половины общей площади всех мембран клетки.

Мембрана ЭПР морфологически идентична оболочке клеточного ядра и составляет с ней одно целое. Таким образом, полости эндоплазматического ретикулума открываются в межмембранную полость ядерной оболочки. Мембраны ЭПС обеспечивают активный транспорт ряда элементов против градиента концентрации. Нити, образующие эндоплазматический ретикулум, имеют в поперечнике 0,05-0,1 мкм (иногда до 0,3 мкм), толщина двухслойных мембран, образующих стенку канальцев, составляет около 50 ангстрем (5 нм, 0,005 мкм). Эти структуры содержат ненасыщенные фосфолипиды, а также некоторое количество холестерина и сфинголипидов. В их состав также входят белки.

Рис.7.13. Схематическое представление клеточного ядра, эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи.


Рис.7.13. Схематическое представление клеточного ядра, эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи.

(1) Ядро клетки.

(2) Поры ядерной мембраны.

(3) Гранулярный эндоплазматический ретикулум.

(4) Агранулярный эндоплазматический ретикулум.

(5) Рибосомы на поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума.

(6) Макромолекулы

(7) Транспортные везикулы.

(8) Комплекс Гольджи.

(9) Цис-Гольджи

(10) Транс-Гольджи

(11) Цистерны Гольджи

Трубочки, диаметр которых колеблется в пределах 0,1-0,3 мкм, заполнены гомогенным содержимым. Их функция - осуществление коммуникации между содержимым пузырьков ЭПС, внешней средой и ядром клетки.

Эндоплазматический ретикулум не является стабильной структурой и подвержен частым изменениям.

Выделяют два вида ЭПР:

 гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум;

 агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум.

На поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума находится большое количество рибосом, которые отсутствуют на поверхности агранулярного ЭПР.

... Гранулярный и агранулярный эндоплазматический ретикулум выполняют различные функции в клетке.

При участии эндоплазматического ретикулума происходит трансляция и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов. Для ЭПР характерно также накопление продуктов синтеза.

Эндоплазматический ретикулум принимает участие в том числе и в создании новой ядерной оболочки (например после митоза).

Эндоплазматический ретикулум содержит внутриклеточный запас кальция, который является, в частности, медиатором сокращения мышечной клетки. В клетках мышечных волокон расположена особая форма эндоплазматического ретикулума - саркоплазматическая сеть.

Функции агранулярного эндоплазматического ретикулума:

Агранулярный эндоплазматический ретикулум участвует во многих процессах метаболизма. Также агранулярный эндоплазматический ретикулум играет важную роль в углеводном обмене, нейтрализации ядов и запасании кальция. Ферменты агранулярного эндоплазматического ретикулума участвуют в синтезе различных липидов и фосфолипидов, жирных кислот и стероидов. В частности, в связи с этим в клетках надпочечников и печени преобладает агранулярный эндоплазматический ретикулум.

Синтез гормонов

К гормонам, которые образуются в агранулярной ЭПС, принадлежат, например, половые гормоны позвоночных животных и стероидные гормоны надпочечников. Клетки яичек и яичников, ответственные за синтез гормонов, содержат большое количество агранулярного эндоплазматического ретикулума.

Накопление и преобразование углеводов

Углеводы в организме накапливаются в печени в виде гликогена. Посредством гликогенолиза гликоген в печени трансформируется в глюкозу, что является важнейшим процессом в поддержании уровня глюкозы в крови.

Один из ферментов агранулярного ЭПР отщепляет от первого продукта гликогенолиза, глюкоза-6-фосфата, фосфогруппу, позволяя таким образом глюкозе покинуть клетку и повысить уровень сахаров в крови.

Нейтрализация ядов

Гладкий эндоплазматический ретикулум клеток печени принимает активное участие в нейтрализации всевозможных ядов. Ферменты гладкого ЭПР присоединяют к молекулам токсичных веществ гидрофильные радикалы, в результате чего повышается растворимость токсичных веществ в крови и моче, и они быстрее выводятся из организма. В случае непрерывного поступления ядов, медикаментов или алкоголя образуется большее количество агранулярного ЭПР, что повышает дозу действующего вещества, необходимую для достижения прежнего эффекта.

Роль ЭПС как депо кальция

Концентрация ионов кальция в ЭПС может достигать 10−3 моль, в то время как в цитозоле составляет порядка 10−7 моль (в состоянии покоя). Под действием инозитолтрифосфата и некоторых других стимулов кальций высвобождается из ЭПС путём облегченной диффузии. Возврат кальция в ЭПС обеспечивается активным транспортом. При этом мембрана ЭПС обеспечивает активный перенос ионов кальция против градиентов концентрации больших порядков. И приём, и освобождение ионов кальция в ЭПС находится в тонкой взаимосвязи с физиологическими условиями.

Концентрация ионов кальция в цитозоле влияет на множество внутриклеточных и межклеточных процессов, таких как активация или инактивация ферментов, экспрессия генов, синаптическая пластичность нейронов, сокращения мышечных клеток, освобождение антител из клеток иммунной системы.

Саркоплазматический ретикулум

Особую форму агранулярного эндоплазматического ретикулума, саркоплазматический ретикулум, представляет собой ЭПС в мышечных клетках, в которых ионы кальция активно закачиваются из цитоплазмы в полости ЭПР против градиента концентрации в невозбуждённом состоянии клетки и освобождаются в цитоплазму для инициации сокращения." https://ru.wikipedia.org/?curid=535037&oldid=137608835

Ну вот, примерно так ...

Кстати, на рис. 7.13. и показана основная часть машины управления клетки. Вот так она и выглядит в плакатном отображении. На картинке.

А в реальности это... сплошной лабиринт из пузырьков, мембран, рибосом, белков... Что-то куда-то двигается по каналам этого огромного лабиринта, преобразуется и дополняется, уходит к другим органеллам клетки или вообще за её пределы...

Или наоборот, что-то приходит в клетку через мембранный транспорт, попадает сюда, преобразуется и уходит... или в исполнительную сеть комплекса Гольджи, или туда, куда это что-то и было направлено изначально, в ядро, к определенной части генома или мРНК для произведения какого-то действия там.

В основной памяти системы.

Клеточное ядро.

Сначала - общая информация:

"Кле́точное ядро́ (лат. nucleus "ядро") - окружённый двумя мембранами компартмент эукариотической

Рис.7.14. Клетки HeLa, ДНК окрашена синим красителем Hoechst. Центральная и правая клетка находятся в интерфазе, и у них окрашено всё ядро. Левая клетка претерпевает митоз, поэтому ДНК конденсирована и окрашено не всё ядро.

клетки[1]. Обычно в клетках эукариот имеется одно ядро, однако некоторые типы клеток, например, эритроциты млекопитающих, не имеют ядра, а другие содержат несколько ядер.


Рис.7.14. Клетки HeLa, ДНК окрашена синим красителем Hoechst. Центральная и правая клетка находятся в интерфазе, и у них окрашено всё ядро. Левая клетка претерпевает митоз, поэтому ДНК конденсирована и окрашено не всё ядро.

В ядре заключена бо́льшая часть генетического материала клетки, представленного несколькими линейными длинными молекулами ДНК, связанного с белками - хромосомами. Гены, локализованные в хромосомах, составляют ядерный геном. Ядро поддерживает целостность генов, а входящие в его состав белки регулируют клеточные процессы посредством управления экспрессией генов, поэтому ядро является, по сути, контролирующим центром клетки. К основным структурам, из которых состоит ядро, относят ядерную оболочку - двойную мембрану, окружающую ядро и изолирующую его от цитоплазмы, а также ядерный матрикс (который включает ядерную ламину) - сеть филаментов, которая обеспечивает механическую поддержку ядра, подобно цитоскелету в цитоплазме.

Поскольку ядерная оболочка непроницаема для крупных молекул, для регуляции транспорта молекул через ядерную оболочку (ядерный транспорт) служат ядерные поры. Поры пронизывают обе ядерные мембраны и формируют сквозной канал, через который малые молекулы и ионы проходят свободно, а крупные молекулы активно транспортируются с участием белков-переносчиков. Перенос через ядерную оболочку таких крупных молекул, как белки и РНК, необходим для экспрессии генов и поддержания хромосом. Хотя внутри ядра нет окружённых мембраной субкомпартментов, его внутреннее содержимое неоднородно и содержит ряд ядерных телец, которые состоят из особых белков, молекул РНК и частей хромосом. Самое известное ядерное тельце - ядрышко, в котором происходит сборка рибосомных субъединиц. После образования в ядрышке рибосомные субъединицы транспортируются в цитоплазму, где они осуществляют трансляцию мРНК." https://ru.wikipedia.org/?curid=101533&oldid=137505709

Ядрышко.

"Ядрышко - немембранный внутриядерный субкомпартмент, присущий всем без исключения эукариотическим организмам. Представляет собой комплекс белков и рибонуклеопротеидов, формирующийся вокруг участков ДНК, которые содержат гены рРНК - ядрышковых организаторов. Основная функция ядрышка - образование рибосомных субъединиц.

Рис.7.15. Микрофотография клеточного ядра с ядрышком.


Рис.7.15. Микрофотография клеточного ядра с ядрышком.

В ядрышке выделяют три основных структурных компонента, соответствующих разным этапам биогенеза рибосом: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ПФК) и гранулярный компонент (ГК). В начале митоза происходит разборка ядрышек, а по окончании митоза они собираются снова. В настоящее время имеются данные об участии ядрышек в процессах, не связанных с биогенезом рибосом - например, в стрессовом ответе, сборке частиц распознавания сигнала; кроме того, ядрышко взаимодействует со многими вирусами. Ядрышко участвует в развитии многих заболеваний человека, в том числе раковых и, возможно, нейродегенеративных и аутоиммунных.

На периферии ядрышка находится околоядрышковый компартмент - динамичная структура, содержащая большое количество РНК-связывающих белков, а также РНК-полимеразу III.

Всякое ядрышко образуется вокруг специальных последовательностей ДНК - ядрышковых организаторов. Ядрышковые организаторы представляют собой гены рДНК, собранные в ряды из тандемных повторов и разделённые спейсерами.

Ядрышковые организаторы и ФЦ состоят из плотно ассоциированных фибрилл толщиной от 6 до 10 нм, оба содержат РНК-полимеразу I и характеризуются уникальной чертой - способностью окрашиваться солями серебра (аргирофильностью). В электронный микроскоп гены рРНК видны как образующие структуры типа "ёлочек", в которых боковые изогнутые нити представляют собой транскрипты пре-рРНК, а сидящие в ответвлении гранулы являются молекулами РНК-полимеразы I.

У человека приблизительно 400 копий повторяющихся единиц генов рРНК длиной 43 кб (килобаз ) располагаются во всех акроцентрических хромосомах (хромосомы 13, 14, 15, 21 и 22).

Фибриллярные центры

Фибриллярные центры характеризуются наличием рДНК (ядрышковые организаторы), субъединиц РНК-полимеразы I[en], ДНК-топоизомеразы I и транскрипционного фактора UBTF. По сути своей фибриллярные центры - это плотно упакованные тандемные повторы неактивной рДНК и межгенных спейсеров. Во многих типах клеток транскрипционно активны только некоторые гены рДНК, несмотря на то, что остальные тоже находятся в ядрышке. Транскрипция рДНК происходит не внутри, а на периферии ФЦ.

Плотный фибриллярный компонент

Плотный фибриллярный компонент состоит из фибрилл более низкой электронной плотности, чем фибриллярные центры. В плотном фибриллярном компоненте обнаруживаются только что синтезированные транскрипты рРНК (пре-рРНК 45S); кроме того, в нём происходят ранние этапы процессинга рРНК. Здесь локализованы белки, участвующие в ранних этапах процессинга рРНК, такие как фибрилларин и Nopp140, а также рибонуклеопротеиновые комплексы, содержащие малые ядрышковые РНК (snoРНК от англ. small nucleolar). Фибрилларин, функционирующий как метилтрансфераза, служит хорошим маркером ПФК.

Гранулярный компонент

Гранулярный компонент, как правило, располагается на периферии ядрышка, хотя в некоторых случаях фибриллярный и гранулярный компоненты равномерно распределены в ядрышке. В последнем случае фибриллярно-гранулярные компоненты зачастую образуют нитчатые структуры - нуклеолонемы, или ядрышковые нити толщиной около 100-200 нм и различимые даже в световой микроскоп (при особом контрастировании). В нуклеолонемах кроме гранул толщиной 15 нм имеется множество тонких фибрилл, которые могут образовывать сгущения. Гранулы, образующие гранулярный компонент, скорее всего, соответствуют незрелым рибосомным субъединицам 60S. В компактных ядрышках гранулы плотно упакованы, а в разветвлённых ядрышках образуют сеть. В ГК происходит процессинг 5,8S и 28S рРНК, а также сборка больших рибосомных субъединиц (60S). Маркерами ГК могут служить такие белки, как нуклеофозмин, Bop1, Nop52, RRP1B, нуклеостемин и субъединица PM-Scl 100 экзосомного комплекса.

Структурные типы

Степень выраженности ГК и ПФК, а также прочие структурные особенности позволяют выделить несколько структурных типов ядрышек: ретикулярный (нуклеолонемный), компактный, кольцевидный, остаточный (покоящийся) и сегрегированный.

Рис.7.16. 3D-модель расположения ядрышка (фиолетовое) относительно ядерной оболочки.


Рис.7.16. 3D-модель расположения ядрышка (фиолетовое) относительно ядерной оболочки.

Ядрышки ретикулярного типа присущи большинству клеток, как животных, так и растительных. Такие ядрышки имеют нуклеолонемное строение, хорошо развиты ПФК и ГК, но часто ФЦ выражены плохо из-за активной транскрипции.

Компактный тип ядрышка отличается от ретикулярного меньшей выраженностью нуклеолонемного строения и большей частотой встречаемости ФЦ. Компактные ядрышки встречаются в активно делящихся клетках, например, клетках растительных меристем и клетках культуры ткани. По-видимому, компактный и ретикулярный типы могут переходить друг в друга.

Кольцевидный тип встречается в животных клетках. Ядрышки этого типа в световой микроскоп выглядят ка кольцо с оптически светлой центральной зоной, которая является фириллярным центром, окружёнными фибриллами и гранулами. Типичные кольцевидные ядрышки имеются у клеток с низким уровнем транскрипции, таких как лимфоциты и эндотелиоциты.

Остаточные ядрышки присущи клеткам, полностью утратившим способность к синтезу рРНК: нормобластам, дифференцированным энтероцитам, клеткам шиповатого слоя кожного эпителия и другим. Часто они с трудом различимы в световой микроскоп из-за малых размеров и окружённости конденсированным хроматином. Иногда они могут активироваться и принимать активную ретикулярную или компактную форму.

Сегрегированный тип ядрышек встречается у клеток, у которых синтез рРНК прекращён под действием антибиотиков, например, актиномицина Д и амфотерицина, и других химических веществ, или же повреждён синтез ДНК и белков под действием митомицина, пуромицина и многих канцерогенов. Разные компоненты ядрышка обособляются друг от друга, но объём ядрышка прогрессивно уменьшается.

Функции ядрышка.

... Ключевой функцией ядрышка является образование субъединиц рибосом в эукариотических клетках. Однако многие ядрышковые белки осуществляют совсем другие функции - например, участвуют в ответе на клеточный стресс и взаимодействуют с вирусными белками. В ядрышке также происходит сборка частиц распознавания сигнала.

Сборка частиц распознавания сигнала

Частицы распознавания сигнала (англ. Signal recognition particle, SRP) - повсеместно распространённые цитоплазматические рибонуклеопротеиновые комплексы, которые доставляют некоторые рибосомы к шероховатому эндоплазматическому ретикулуму (ЭПР) для дальнейшей котрансляционной транслокации внутрь ЭПР синтезируемых мембранных и секретируемых белков. Сначала SRP распознаёт сигнальный пептид растущего секретируемого или мембранного канала по мере того, как он выходит из рибосомы. Далее SRP временно приостанавливает синтез белка и доставляет рибосому с синтезируемым белком к цитоплазматической стороне ЭПР, а дальнейший синтез белка происходит одновременно с его транслокацией внутрь ЭПР. Когда флуоресцентно меченная[en] РНК, входящая в состав SRP, была введена в ядро клетки млекопитающего, она очень быстро оказывалась в ядрышке. Через некоторое время уровень флуоресценции в ядрышке падал, но повышался в отдельных местах цитоплазмы. Локализацию SRP РНК нельзя привязать к одному из трёх доменов ядрышка: область локализации проходила через всё ядрышко. Показано, что в ядрышке происходят конечные стадии процессинга SRP РНК и сборка собственно SRP.

Другие функции

Для работы активированных макрофагов важную роль играют цистеиновые протеазы катепсины. В эндосомах и лизосомах они играют важнейшую роль в формировании приобретённого иммунного ответа (процессинг антигенов и их презентация), а также врождённого иммунного ответа (активация Toll-подобных рецепторов). Недавно было показано, что эти цистеиновые протеазы и их ингибиторы выполняют некоторые функции также в ядре и ядрышке. Так, при активации макрофагов катепсин L и ингибитор Spia3g локализуются в ядрышке." https://ru.wikipedia.org/?curid=445709&oldid=126994414

Вот здесь остановимся и подумаем о только что прочитанном...

Странно, такие разные функции не может выполнять одна и та же структура.

Скорее всего, разные типы ядрышек, это разные образования в составе клеточного ядра, объединенные под общим названием "ядрышко", только на основании внешнего сходства и одной локализации внутри ядра. В световой микроскоп структуры почти не различаются, что там происходит, можно только догадываться, а зафиксированных зависимостей уже накопилось много. Вот такой общий подход и сформировался.

Похоже, что ядрышко еще только ждет своих исследователей...

Синтез белка.

В первую очередь полностью заново была построена технология производства белка. Как уже неоднократно говорилось, процесс трансляции белка стал проводиться на основе цифровых методов кодирования аминокислот в общей последовательности при синтезе белка. В качестве основной единицы информации здесь закрепился кодон, или триплет, трехзначное "слово" этой системы кодирования. Но считать, что это единственное новшество, было бы наивным.

Для того, чтобы эта технология заработала, была применена целая система связанных с этим функциональных автоматов.

Рибосома идет по заранее сформированной и уже "зрелой" РНК-копии, отсчитывая триплетные коды. Остановившись на каком-то кодоне, рибосома ждет подхода только той т-РНК, на центральном лепестке "трилистника" в нужном месте которой есть соответствующий "антикодон", с соответствующими нуклеотидами, который полностью дополнителен тому кодону, на котором сейчас "стоит" рибосома.

Теперь почитаем здесь:


Рис.7.17. Биосинтез белка (общая схема) https://studopedia.ru/9_35351_biosintez-belka.html

"Ещё до начала трансляции ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы специфично присоединяют аминокислоты к соответствующим им транспортным РНК (тРНК). Для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Участок тРНК, который называется антикодоном, может комплементарно спариваться с кодоном мРНК, обеспечивая тем самым включение присоединённого к тРНК аминокислотного остатка в полипептидную цепь в соответствии с генетическим кодом." https://ru.wikipedia.org/?curid=69591&oldid=136566118

Происходит полное совмещение пары "кодон-антикодон" и т-РНК закрепляется на какое-то время в захвате рибосомы. В это время закрепленная на "хвосте" т-РНК аминокислота перебрасывается в цепочку последовательной сборки белка. Сбросившая свой "груз" т-РНК освобождается из захвата и уходит из зоны синтеза. Рибосома переходит на следующую позицию считывания и процесс повторяется...

Теперь просто оценим сложность того, что происходит.

В рибосомном синтезе используется двадцать аминокислот, применяемых для сборки самых разнообразных белков. Каждая аминокислота имеет в триплетном коде несколько вариантов обозначения (кодонов). Всего таких кодонов 64. От ААА, ТТТ, ССС, ГГГ до любой конфигурации типа АТГ, СГА и т.д. Это всё обсуждалось уже много раз, в том числе и я написал несколько статей по этой теме [7.16 ÷7.19].

На "трилистнике" т-РНК кодон или его дополнение, расположенные на центральном лепестке должны совпадать с кодоном, расположенном в хвостовой части. Там где есть последовательность нуклеотидов, способная захватить и удержать в нужной позиции, а потом перевести в общую последовательность только одну аминокислоту из двадцати возможных. Без ошибок и сбоев сделать это миллионы раз.

Таким образом, в процессе синтеза белка должно быть четко синхронизировано в применении 64 кодона и, соответственно 64 "антикодона" на ответных частях сопрягаемых рибосом, т-РНК и их хвостовых захватов для всех 20 аминокислот...


Рис.7.18. Процесс трансляции https://studopedia.ru/9_35351_biosintez-belka.html

Как сейчас считается, процесс синтеза белка идет в клетке не повсеместно а в отдельных зонах, компартментах. В эту обособленную мембранами зону сборки должны исправно подаваться все необходимые аминокислоты и "пустые" т-РНК для захвата аминокислот. Рибосомы должны исправно работать весь цикл сборки белка.

И во все точки проведения автоматических операций механического перемещения должны подаваться молекулы АТФ. Это энергия для их проведения.

А рибосом в разных зонах синтеза развитой клетки эукариот десятки тысяч, и все они одновременно производят синтез самых различных белков по программам подготовленных для этого РНК-копий. Круглосуточно, без перерывов и остановок.

Начальный этап показан на рис. 7.18.

И это только одна технологическая линия из всего процесса, трансляция.

Но это лишь общее название всего процесса, а ещё есть и отдельные его составляющие: инициация, элонгация, терминация...

Хотя, это всего лишь начало, продолжение и завершение, если по-русски...

Обобщаем...

Теперь мы знаем, что входит в состав клеточной машины управления.

Попробуем все наши новые знания отразить в таблице и постараемся осмыслить то, что получится.

Смотрим... таблицу 7.6. Очень интересно...

Оказывается, ядро и ядрышко, хоть они и очень важны для клетки, основой машины управления не являются. Ядро, это, скорей, банк данных, главная машинная память. Ядрышко - специализированные участки для различных производств. Его самое общее назначение - производство самой массовой органеллы - рибосомы в массовых масштабах.

Главным процессором машины является ... эндоплазматический ретикулум.

Вот он, главный лабиринт, где формируются основные белковые информационные объекты, ферменты, для сигнальных путей клеточного сообщения. Здесь же идет и основной процесс трансляции белка в клетке.

Далее синтезированные в ЭПР белки 'дозревают', а проще, достраиваются и конкретизируются по функции в отдельных пузырьках и отправляются во все углы клетки, и, частично в комплексе Гольджи. Здесь формируются сообщения для межклеточного сообщения - гормоны.

Это исходящая часть работы машины управления.

Таблица 7.6

Органелла	Функция производства	Получает	Отдает
Ядрышко	Транскрипция с рДНК копии в рРНК. Производит рибосомы.	нуклеотиды РНК, белки	рибосомы
Клеточное ядро	Хранение геномной ДНК и транскрипция мРНК.	Нуклеотиды, белки.	белки
Эндоплазматический ретикулум	Синтез гормонов Накопление и преобразование углеводов. Нейтрализация ядов. ЭПС как депо кальция.	Ферменты, белки, вторичные РНК	гормоны
Комплекс Гольджи	1.Разделение белков 2.Формирование слизистых секретов 3.Формирование углеводных компонентов гликокаликса 4.Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов 5.Частичный протеолиз белков	Ферменты, белки, вторичные РНК	Метки, маркеры, ферменты
Сигнальная система эукариот	Проведение сигнала от источника до получателя	Рецепторы, лигазы, ферменты, гормоны

А вот приемная часть сразу начинается с ЭПР.

Сюда поступают все сложные белковые соединения. Здесь они отсортировываются по функциональным признакам и подвергаются первичной обработке. Предварительно проверенные гормоны из внешних сигнальных путей отправляются по назначению. Часть прямиком в ядро, для регуляции копирования генома. Часть белков направляется в комплекс Гольджи для коррекции своих гормонов. Здесь начинается формирование ответных реакций на внешние сообщения. Конечно, с паре с ЭПР.

Пока это только очень упрощенная схема работы клеточной машины управления, но она как раз и дает первичное представление о её функционировании...

Еще немного о машине управления...

Конечно, мы еще вернемся к машине управления клетки, но, видимо уже с других позиций. Невозможно рассуждать о машине не учитывая некоторых, может быть даже теоретических вопросов, которые сейчас пока мы отложим на следующие части.

А пока подумаем о том, что мы узнали.

Оказывается...

Ядро клетки не является основой машины управления. Да, конечно, это очень важная её часть, но не самая важная, не та, "где находится Субъект". Если сравнивать с компьютером, то клеточное ядро, это источник информации, система его копирования и тиражирования в виде иРНК. Отдельная часть ядра занята массовым производством системных "синтезирующих устройств", рибосом, собирающих самые разнообразные белки по шаблонам иРНК во всех частях клетки.

Особенно много их в эндоплазматическом ретикулуме. Как гладком, так и шероховатом. Именно здесь формируются самые разные сообщения в виде пептидов, ферментов, гормонов расходящихся во все концы клетки. Они здесь синтезируются в обобщенном виде. И в "групповой таре", пузырьке, транспортируются в аппарат Гольджи.

В аппарате Гольджи белки проходят индивидуализацию и тогда уже уходят адресатам как управляющие или регулирующие сигналы центра.

Вот где-то здесь и начинается химический Субъект.

Здесь сигналы, уходящие по сигнальным путям во все концы, и сигналы, приходящие от многочисленных рецепторов формируют единую машину управления, реагирующую на все изменения внутренней и внешней среды какими-то регулирующими или управляющими сигналами в виде самых разнообразных белков, липидов, стероидов и т.д.

Даже сама работа этой машины пока очень трудно оценивается и воспринимается. Не понимаем мы 'химических схем' управления и тем более, логических и вычислительных.

Пока нам понятны только две группы автоматов, работу которых мы можем себе представить достаточно точно. Это механические или электрические машины и электронные устройства. А как только автоматика построена на других принципах, включая и химический, тут наше понимание отказывается работать.

И еще одно уточнение. Все составные части клеточной машины управления от систем управления до сигналов, это функциональные автоматы, исполняющие какое-то действие и позволяющие уловить результат этого действия.

Мы уже когда-то дали название такому функциональному автомату в системе машины управления: объект-действие. Такой функциональный автомат обладает дуальностью понимания. Это и локальность отдельного объекта системы, и обособление выполняемого им действие.

Именно так работает вирус. Как это происходит, мы уже знаем...

И как-то не получается у нас сравнение клеточной машины управления с компьютером. Не сравниваются они. Слишком разные функции, принципы, результаты...

Позже мы к машине управления еще обязательно вернемся и попробуем разобраться более подробно.

А пока..., заканчиваем на этом.

Заключение

Любое движение в любом направлении - обязательный фактор продолжения существования "на краю". Но при этом любое новое направление изменений, в том числе и технология производства имеет постоянную тенденцию к глобализации.

Спонтанная глобализация любого процесса повтора создает предпосылки для появления новых изменений и мутаций, создающих движение "на краю", как активное существование.

Стремление к глобализации любого процесса повтора заложено в основу динамического существования 'на краю'.

Спонтанная глобализация лежит в основе многих направлений развития клетки.

В том числе и организационных.

Спонтанная глобализация любого начавшегося процесса приводит к тому, что в какой-то момент времени этот процесс начинает влиять на весь организм клетки и его системы регулирования и управления начинают влиять на общее состояние клетки. Происходит спонтанная адаптация управления на этот процесс. Потом другой процесс становится глобальным и система адаптируется на его характеристики.

Для устранения такого "неопределенного лидерства" систем управления в машине управления клетки и возникла надстройка управления, взявшая управление на себя в постоянном режиме. Эта надстройка - Субъект.

В эукариотической клетке управляющая машина под руководством Субъекта охватила всё внутреннее пространство, отделив внутреннюю среду от внешней. Субъект локализовался в этом объеме и четко разделил то, что находится в его пределах, и то, что за пределами, во внешней среде.

Субъект и клетка слились в единое Я. Теперь это, личность, ведущая активный способ существования, ощущающая себя единым организмом, защищающая себя в пределах своего объема всеми доступными способами.

Клетка окончательно стала живой...

Клеточная машина управления под управлением Субъекта стала охватывать своими сообщениями не только всю клетку, но пытается управлять и соседними. Вирусные функции, заработавшие на уровне клетки, запустили механизм глобализации и централизации управления. В развитии вирусных технологий клетка достигла весьма впечатляющих успехов.

Информация в этих объектах получила направление формирования функциональных автоматов открытой формы в виде кольца или клубка, способной к быстрой модификации.

Транспортная форма вируса - чаще всего, это кольцевая форма РНК или ДНК последовательности, уложенная в белковую оболочку, защищающая информацию от неблагоприятных внешних воздействий до момента попадания вируса в места его дальнейшего преобразования.

Из транспортной формы вирус переходит в активную форму теряя оболочку.

Чаще всего это клубковые образования из последовательностей РНК или ДНК. При попадании в клетку кольцо ДНК или РНК начинает самовоспроизводить вложенную в него информацию по типу "катящегося кольца".

Другие вирусы, сбрасывая оболочку попадают в ядро, разворачиваются в развернутую форму исполнительного функционального генетического автомата, и внедряются в геном в виде мобильных генетических элементов.

Это и есть вторая форма существования вируса. Непосредственно информационный объект генома, выполняющий ту или иную вложенную в него программу или функцию.

Рибосомы клетки по этой информации вместе с клеточной создают и вирусную иРНК, и нужные белковые составляющие. Так вирусы применяют главный способ поддержания динамического существования: повтор - основа закрепления существования. С разрушением клетки-хозяина. Дальнейшая самосборка новых вирусов происходит уже самостоятельно.

Некоторые вирусные функции, улучшающие выживание вирусов в самых разных условиях существования были использованы и клеткой. Только так можно объяснить появление в клетке таких вирусных функций, как самосохранение, ускоренное и расширенное воспроизводство, переход от пассивного существования к активному исполнению вложенной целевой функции по сформированной исполнительной команде...

В конечном итоге это и создало то, что мы называем Жизнью.

Но, чтобы это произошло, нужен длинный путь постепенного приближения к её появлению. Весь этот путь. От простейшей капли коацервата до сложнейшего белкового лабиринта в многослойном липидном коконе, где одновременно идут миллионы сложнейших биохимических реакций, работают сотни тысяч технологических линий шаблонного изготовления самых разнообразных продуктов клеточного производства и потребления, работают сотни сложных систем, связанных мощными каналами передачи информации. И всё это контролируется и управляется десятками локальных машин управления, составляющих единую машинную систему.

Вот что такое развитая клетка в период её перехода на новую ступень развития, эукариотическую. Это самые совершенные клетки, существующие на Земле. Они, в конечном итоге и создали многоклеточные организмы, к которым относится и человек...

Но, сказать, что на этом техническое и организационные развитие клеток достигло совершенства, невозможно. Клетка только начала новый этап строительства системы управления. И на этом пути множество сложностей.

Вот об этом и пойдет разговор дальше...

г.Волгодонск

июль 2018г

Литература:

7.1. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 1. http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/nachalo_puti.shtml

7.2. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 2 http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_2_mir_rnk.shtml

7.3. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 3 http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_3_belki-1.shtml

7.4. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 4 http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_4_virus_i_vojna.shtml

7.5. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 5. Непонимаемое http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_5_neponimaemoe.shtml

7.6. Никитин А.В., Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 6 http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_6_upravlenie_informacia.shtml

7.7. Александр Марков - Рождение сложности: Эволюционная биология сегодня https://www.libfox.ru/363124-aleksandr-markov-rozhdenie-slozhnosti-evolyutsionnaya-biologiya-segodnya.html

7.8. В.Я. АЛЕКСАНДРОВ: ОТ ТАЙН КЛЕТКИ - К МУДРОСТИ ЖИЗНИ http://www.semeynoe.ru/vjanbspaleksand.html

7.9. ИНГЕ-ВЕЧТОМОВ С. Г.,Трансляция как способ существования живых систем, или в чем смысл 'бессмысленных' кодонов. Продолжение. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157633&uri=1.html

7.10. ИНГЕ-ВЕЧТОМОВ С. Г. Трансляция как способ существования живых систем, или в чем смысл 'бессмысленных' кодонов. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157633&s

7.11. ГВОЗДЕВ В.А. Подвижная ДНК эукариот. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157651&uri=index.html

7.12. СПИРИН А.С., Принципы структуры рибосом. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157656&uri=index.html

7.13. СПИРИН А.С., Принципы функционирования рибосом. Продолжение. ПРИНЦИП N 2: КОНФОРМАЦИОННАЯ ПОДВИЖНОСТЬ РИБОСОМЫ http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157658&uri=1.html

7.14. Никитин А.В. От 'мира РНК' к Началу Жизни...http://samlib.ru/editors/n/nikitin_andrej_wiktorowich/ot_mira_rnk_k_nachalu_jizny.shtml

7.15. Никитин А.В., Информация в ДНК, РНК и белках // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.16495, 23.04.2011 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161826.htm

7.16. Никитин А.В., Проблемы понимания системы кодирования ДНК // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.16181, 27.11.2010 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161731.htm

7.17. Никитин А.В., Работа рибосомы при трансляции белка // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.16234, 19.12.2010 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161745.htm

7.18. Никитин А.В., Считывание и обработка информации ДНК // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.16147, 08.11.2010 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161718.htm

7.19. Никитин А.В., Триплеты в ДНК // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.16062, 05.09.2010 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161697.htm

7.20. Гаряев П.П., Волновой генетический код. Москва, 1997. - 108с.: ил. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161725.htm

7.21. Вирусы и бактерии - великое противостояние https://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/

7.22. Никитин А.В., Логика управления клетки // 'Академия Тринитаризма', М., Эл ? 77-6567, публ.17037, 29.11.2011 http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161905.htm

7.23. В.Я. АЛЕКСАНДРОВ: ОТ ТАЙН КЛЕТКИ - К МУДРОСТИ ЖИЗНИ http://www.semeynoe.ru/vjanbspaleksand.html

Оставить комментарий
Размещен: 05/08/2018, изменен: 10/05/2024. 166k. Статистика.
Статья: Естествознание

Связаться с программистом сайта.
Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"
Как попасть в этoт список

Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"

Никитин Андрей Викторович : другие произведения.

Общая логика. Этапы развития жизни на Земле. Часть 7

Этапы развития жизни на Земле. Часть 7 Новые этапы развития клетки.

Из цикла "Общая логика".

Новые этапы развития клетки.

Мезокариоты

Рибосома.

Транспортная РНК

"Рамка считывания".

Эукариоты

Синтез белка.

Деление эукариотов.

Вирусные технологии в клетке.

Вирусы и... вирусы.

Транспортная форма технических вирусов

Мобильные генетические элементы.

Информационные объекты на основе РНК и ДНК в геноме.

Интроны группы II

Белковые информационные объекты.

Заканчивая о вирусах...

Борьба клеток с вирусами.

Машина управления клетки.

Сигнальная система эукариот.

Сигнальные пути

Центриоль

Аппарат Гольджи.

Эндоплазматический ретикулум

Клеточное ядро.

Ядрышко.

Синтез белка.

Обобщаем...

Заключение

Литература:

Этапы развития жизни на Земле. Часть 7
Новые этапы развития клетки.