Основы молекулярной биологии клетки (5500,00 руб.)

Стр.5

Стр.778

Стр.779

Стр.780

Стр.781

Стр.782

Стр.783

Стр.784

Стр.785

Стр.786

Стр.787

Стр.788

Стр.789

Стр.790

Стр.791

Стр.792

Стр.793

Стр.794

Стр.795

Стр.796

Стр.797

УДК 577 ББК 28.05 А56 П е р е в о д ч и к и: канд. биол. наук Е. В. Слепов (гл. 1–5, 11–18) А. Н. Дьяконова (гл. 6–10, 19) канд. биол. наук С. М. Глаголев (гл. 20) Альбертс Б. А56 Основы молекулярной биологии клетки / Б. Альбертс, К. Хопкин, А. Джонсон и др. ; пер. с англ. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2024. — 799 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-93208-647-6 Многим поколениям биологов знаком пятитомник Альбертса «Молекулярная биология клетки», на русском языке впервые выпущенный в 1987 г. С тех пор вышло несколько его изданий, каждое из которых вмещало самые последние достижения молекулярной биологии. Не в последнюю очередь именно увеличивающимся объемом книги обусловлено решение авторов написать ее сокращенный вариант. В полностью переработанном и расширенном пятом оригинальном (англоязычном) издании «Основ молекулярной биологии клетки» поддержана традиция очень ясного и логичного изложения материала в виде красочных, понятных схем и интересных иллюстраций с подробными подписями к ним. Книга адресована студентам младших курсов биологических и медицинских специальностей, школьным учителям и преподавателям вузов при подготовке лекций и семинаров, а также всем интересующимся предметом и изучающим его на профильном уровне. УДК 577 ББК 28.05 Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы молекулярной биологии клетки / Б. Альбертс, К. Хопкин, А. Джонсон и др. ; пер. с англ. — 3-е изд., полн. перераб. и расш. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 796 с. : ил. — ISBN 978-5-93208-248-5. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-93208-647-6 Copyright © 2019 by Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, the Estate of Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Nicole Marie Odile Roberts, and Peter Walter Авторизованный перевод англоязычного издания Essential Cell Biology Fifth edition, опубликованного W.W. Norton & Company, Inc. © Лаборатория знаний, 2024

Стр.5

Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ 5 БЛАГОДАРНОСТИ 6 ОБ АВТОРАХ 8 КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ И ОСОБЫЕ РАЗДЕЛЫ 9 ГЛАВА 1 Клетки: основные единицы жизни 13 ЕДИНСТВО И РАЗНООБРАЗИЕ КЛЕТОК 13 Клетки значительно различаются по внешнему виду и функциям 14 Все живые клетки имеют одинаковый химический состав 15 Живые клетки — это самовоспроизводящиеся комплексы катализаторов 16 Все живые клетки произошли от одной клеткипрародителя 17 Гены определяют форму, функции и поведение клеток и организмов 17 КЛЕТКИ ПОД МИКРОСКОПОМ 17 Изобретение светового микроскопа привело к открытию клеток 18 Световые микроскопы позволяют обнаружить некоторые компоненты клетки 19 Самые мелкие элементы клетки выявляются с помощью электронной микроскопии 20 КЛЕТКА ПРОКАРИОТ 25 Прокариоты — самые разнообразные и многочисленные клетки на Земле 26 Все прокариоты разделены на два домена: бактерии и археи 27 КЛЕТКА ЭУКАРИОТ 28 Ядро — хранилище информации в клетке 28 Митохондрии получают полезную энергию из молекул пищи 29 Хлоропласты улавливают энергию солнечного света 31 Внутренние мембраны разделяют внутриклеточные компартменты с различными функциями 31 Цитозоль — концентрированный водный гель, состоящий из больших и малых молекул 33 Цитоскелет отвечает за направленное перемещение клеток 34 Цитозоль находится в непрерывном движении 35 Первые клетки эукариот могли быть хищными 35 МОДЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ 38 Молекулярные биологи сосредоточились на кишечной палочке 38 Пивные дрожжи — простейшие из эукариот 38 Arabidopsis используют в качестве модельного растения 39 В качестве модельных животных используют также мух, червей, рыб и мышей 39 Биологи изучают также самих людей и их клетки 43 Сравнение последовательностей генома раскрывает происхождение всей жизни 44 В геномах содержатся не только гены 46 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 46 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 47

Стр.778

778 Оглавление ГЛАВА 2 Химические компоненты клеток 49 ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ 49 Клетки состоят из небольшого количества различных типов атомов 49 От внешних электронов зависят межатомные взаимодействия 51 Ковалентные связи образуются в результате обмена электронами 53 Некоторые ковалентные связи образованы более чем двумя электронами 54 Обмен электронами в ковалентных связях часто неравнозначен 55 Ковалентные связи достаточно сильны, чтобы сохраняться внутри клеток 55 Ионные связи образуются в результате получения и потери электронов 56 Водородные связи — важные нековалентные связи, объединяющие многие биологические молекулы 57 Четыре типа слабых взаимодействий участвуют в соединении молекул в клетках 57 Некоторые полярные молекулы в водной среде образуют кислоты и основания 59 МАЛЫЕ МОЛЕКУЛЫ КЛЕТОК 60 Клетка образована из углеродных соединений 60 Клетки содержат четыре основных семейства малых органических молекул 61 Углеводы — источники энергии и субъединицы полисахаридов 61 Цепи жирных кислот являются компонентами клеточных мембран 63 Аминокислоты — субъединицы белков 65 Нуклеотиды — субъединицы ДНК и РНК 66 МАКРОМОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ 68 Каждая макромолекула состоит из определенной последовательности субъединиц 69 Нековалентные связи определяют форму макромолекулы 71 Нековалентные связи соединяют макромолекулы с другими молекулами 72 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 73 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 74 ГЛАВА 3 Энергия, катализ и биосинтез 91 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ КЛЕТКАМИ 92 Биологический порядок возникает благодаря высвобождению клетками тепловой энергии 93 Клетки могут преобразовывать энергию из одной формы в другую 94 Фотосинтезирующие организмы используют солнечный свет для синтеза органических молекул 94 Клетки получают энергию в результате окисления органических молекул 96 Окисление и восстановление связаны с переносом электронов 97 СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И КАТАЛИЗ 98 Химические реакции идут со снижением уровня свободной энергии 98 Ферменты снижают уровень энергии для протекания спонтанных реакций 99 Изменение свободной энергии реакции определяет вероятность ее осуществления 101

Стр.779

Оглавление 779 G меняется при достижении равновесия реакции 104 Стандартное изменение свободной энергии G° позволяет сравнивать энергетический потенциал различных реакций 104 Константа равновесия прямо пропорциональна G° 105 В сложных реакциях константа равновесия включает концентрации всех субстратов и продуктов 106 Константа равновесия отражает силу нековалентных взаимодействий 106 Свободная энергия дополняет каждую последовательную реакцию в цепочке 107 Катализируемые ферментами реакции зависят от быстрых столкновений молекул 108 Ферменты связывают конкретные молекулы с помощью нековалентных взаимодействий 108 АКТИВИРОВАННЫЕ ПЕРЕНОСЧИКИ И БИОСИНТЕЗ 109 Образование активированного переносчика связано с энергетически выгодной реакцией 111 В качестве активированного переносчика клетка чаще использует АТФ 113 Энергия АТФ нередко расходуется для объединения двух молекул 115 НАДН и НАДФН — активированные переносчики электронов 116 У НАДФН и НАДН в клетке разные роли 117 В клетках существует много других активированных переносчиков 117 Синтез биологических полимеров требует затрат энергии 119 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 122 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 122 ГЛАВА 4 Структура и функции белков 125 ФОРМА И СТРУКТУРА БЕЛКОВ 125 Форму белка определяет его аминокислотная последовательность 125 Белки складываются в обладающую наименьшей энергией форму 129 Белки бывают самых разных сложных форм 131 Самые часто образуемые структуры при сворачивании белка — спираль и лист 133 Биологические структуры легко формируют спирали 133 Листы формируют жесткие структуры в ядре многих белков 135 Неправильное сворачивание белка может образовать вызывающие заболевание амилоидные структуры 136 У белков несколько уровней организации 137 В белках присутствуют неструктурированные области 138 Только незначительная часть из всех возможных вариантов полипептидных цепей функциональна 138 Белки можно разделить на семейства 138 В больших белковых молекулах часто содержится несколько полипептидных цепей 139

Стр.780

780 Оглавление Белки могут объединяться вместе в виде нитей, листов или сфер 140 Некоторые типы белков имеют форму длинных нитей 141 Внеклеточные белки могут стабилизироваться между собой ковалентными связями 142 КАК РАБОТАЮТ БЕЛКИ 142 Все белки связываются с другими молекулами 143 У человека синтезируются миллиарды разных антител с разными сайтами связывания 145 Ферменты — эффективные и высокоспецифичные катализаторы 145 Ферменты значительно ускоряют скорость химических реакций 148 Принцип работы ферментов на примере лизоцима 150 Проектирование 151 Многие лекарства ингибируют ферменты 152 Плотно связанные с белками маленькие молекулы добавляют им дополнительные функции 154 КАК РЕГУЛИРУЕТСЯ АКТИВНОСТЬ БЕЛКОВ 154 Каталитическую активность ферментов часто регулируют другие молекулы 155 В аллостерических ферментах есть не менее двух влияющих друг на друга сайтов связывания 156 Фосфорилирование контролирует активность белка за счет изменения конформации 157 Ковалентные изменения контролируют расположение и взаимодействие белков 158 Регуляторные ГТФсвязывающие белки включаются и выключаются за счет добавления и потери фосфатной группы 159 Гидролиз АТФ позволяет моторным белкам осуществлять внутриклеточные перемещения 160 Белки часто образуют большие комплексы, функционирующие как машины 160 Многие взаимодействующие белки собираются вместе вокруг специальных каркасов 161 Слабые взаимодействия между макромолекулами могут образовывать в клетках большие биохимические субкомпартменты 162 КАК ИЗУЧАЮТ БЕЛКИ 163 Белки можно выделить из клеток или тканей 164 Определение структуры всего белка начинается с определения его аминокислотной последовательности 165 Методы генной инженерии позволяют производить, проектировать и анализировать практически любой белок в больших масштабах 166 Семейные связи белков помогают прогнозировать их структуру и функции 167 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 168 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 169

Стр.781

Оглавление 781 ГЛАВА 5 ДНК и хромосомы 177 СТРУКТУРА ДНК 178 Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей нуклеотидов 178 Структура ДНК обеспечивает реализацию наследственной информации 181 СТРОЕНИЕ ХРОМОСОМ ОРГАНИЗМОВ ЭУКАРИОТ 182 ДНК эукариот упакована в несколько хромосом 182 В хромосомах организуется и хранится генетическая информация 183 Для репликации ДНК и разделения хромосом необходимы специальные последовательности ДНК 185 Интерфазные хромосомы не распределены в ядре случайным образом 186 ДНК в хромосомах всегда сильно конденсирована 186 Нуклеосомы — основные единицы строения хромосом эукариот 187 Компактизация хромосом происходит на нескольких уровнях 189 РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ХРОМОСОМ 190 Изменения структуры нуклеосом открывают доступ к ДНК 190 В интерфазных хромосомах обнаруживаются высококонденсированные и диффузные формы хроматина 192 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 198 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 198 ГЛАВА 6 Репликация и репарация ДНК 201 РЕПЛИКАЦИЯ ДНК 201 Спаривание оснований лежит в основе репликации ДНК 202 Синтез ДНК начинается в точках начала репликации 202 В каждой точке репликации формируются две репликационные вилки 206 ДНКполимераза синтезирует ДНК, используя материнскую цепь в качестве матрицы 207 Репликационная вилка асимметрична 208 ДНКполимераза исправляет свои ошибки 209 Короткие фрагменты РНК служат праймерами для синтеза ДНК 210 Белки в репликационной вилке взаимодействуют друг с другом с образованием репликационной машины 212 Теломераза реплицирует концы эукариотических хромосом 214 Длина теломер зависит от типа и возраста клетки 215 РЕПАРАЦИЯ ДНК 215 В клетках постоянно происходит повреждение ДНК 215 У клеток есть множество механизмов репарации ДНК 216 Система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов исправляет ошибки, пропущенные коррекцией 218

Стр.782

782 Оглавление Для двухцепочечных разрывов ДНК необходима другая стратегия репарации 219 Гомологичная рекомбинация безошибочно восстанавливает двухцепочечные разрывы ДНК 220 Невозможность репарации повреждения ДНК может привести к тяжелым последствиям для клетки или организма 221 Подтверждение точности репликации и репарации ДНК содержится в геномных последовательностях 222 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 223 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 223 ГЛАВА 7 От ДНК до белка: как клетки считывают геном 227 ОТ ДНК ДО РНК 228 Части последовательности ДНК транскрибируются в РНК 229 Транскрипция приводит к образованию РНК, комплементарной одной цепи ДНК 230 Клетки синтезируют различные типы РНК 231 Сигналы в ДНК указывают РНКполимеразе, где начинать и заканчивать транскрипцию 232 Инициация транскрипции генов эукариот — сложный процесс 233 Эукариотической РНКполимеразе нужны общие факторы транскрипции 234 Эукариотические РНК созревают в ядре 235 У эукариот кодирующие белки гены разделены некодирующими последовательностями — интронами 237 Интроны удаляются из премРНК посредством сплайсинга РНК 237 Синтез и созревание РНК происходят на фабриках внутри ядра 239 Зрелые эукариотические мРНК экспортируются из ядра 240 Молекулы мРНК в конце концов деградируют в цитозоле 240 ОТ РНК ДО БЕЛКА 241 Последовательность мРНК декодируется по тройкам нуклеотидов 241 тРНК соотносят аминокислоты с кодонами мРНК 242 Специальные ферменты связывают тРНК с соответствующими им аминокислотами 245 Информация мРНК расшифровывается на рибосомах 246 Рибосома представляет собой рибозим 249 Определенные кодоны мРНК указывают рибосоме, где начинать и заканчивать синтез белка 249 Белки синтезируются на полирибосомах 251 Ингибиторы прокариотического синтеза белка используют как антибиотики 252 Контролируемое расщепление белков помогает регулировать количество белка в клетке 252 Между ДНК и белком множество шагов 253

Стр.783

Оглавление 783 РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ 254 Для жизни необходим автокатализ 255 РНК могут хранить информацию и катализировать химические реакции 255 Предполагается, что РНК появились раньше ДНК 256 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 257 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 258 ГЛАВА 8 Регуляция экспрессии генов 261 ОСНОВЫ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ 262 Разные типы клеток многоклеточного организма содержат одну и ту же ДНК 262 Разные типы клеток синтезируют разные наборы белков 262 Клетка может изменить экспрессию своих генов в ответ на внешние сигналы 262 Экспрессия генов может регулироваться на различных этапах от ДНК к РНК и к белку 264 КАК ПРОИСХОДИТ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ 264 Регуляторы транскрипции связываются с регуляторными последовательностями ДНК 264 Переключатели транскрипции позволяют клеткам отвечать на изменение их окружения 266 Репрессоры выключают гены, а активаторы их включают 267 Lacоперон контролируют активатор и репрессор 267 Регуляторы транскрипции у эукариот контролируют экспрессию генов на расстоянии 268 Регуляторы транскрипции у эукариот способствуют инициации транскрипции путем рекрутирования модифицирующих хроматин белков 269 Петлевые домены хромосом контролируют энхансеры 269 ФОРМИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТИПОВ КЛЕТОК 270 Эукариотические гены находятся под контролем набора регуляторов транскрипции 271 Один белок может координировать экспрессию разных генов 271 Комбинаторный контроль способствует образованию различных типов клеток 274 Формирование целого органа может быть запущено единственным регулятором транскрипции 275 Регуляторы транскрипции можно использовать для управления формированием определенных типов клеток в культуре 276 Дифференцированные клетки сохраняют свой тип 277 ПОСТТРАНСКРИПЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ 279 мРНК содержат последовательности, управляющие их трансляцией 279 Регуляторные РНК контролируют экспрессию тысяч генов 280 МикроРНК управляют разрушением мРНК 280 Малые интерферирующие РНК защищают клетки от инфекций 281 Тысячи длинных некодирующих РНК могут регулировать активность генов млекопитающих 282 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 282 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 283

Стр.784

784 Оглавление ГЛАВА 9 Эволюция генов и геномов 287 ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ 287 В организмах, размножающихся половым путем, только изменения в клетках зародышевой линии передаются потомкам 289 Точечные мутации — результат сбоев в нормальных механизмах копирования и репарации ДНК 290 Мутации могут изменить регуляцию гена 291 Удвоение ДНК дает начало семействам родственных генов 292 Удвоение и расхождение привели к появлению семейства генов глобинов 292 Удвоение целых геномов лежит в основе эволюционной истории многих видов 294 Перетасовка экзонов может привести к образованию новых генов 294 На эволюцию геномов значительно повлияли мобильные генетические элементы 295 Организмы могут обмениваться генами при горизонтальном переносе генов 296 СЕМЕЙНОЕ ДРЕВО ЖИЗНИ 296 Генетические изменения, дающие преимущество при естественном отборе, обычно сохраняются 296 Геномы близкородственных организмов похожи как по организации, так и по последовательности 297 Функционально важные области генома выглядят как островки консервативных последовательностей ДНК 297 Сравнение геномов показывает, что геномы позвоночных быстро теряют и приобретают ДНК 300 Консервативные последовательности позволяют нам проследить даже самые отдаленные эволюционные связи 300 МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ВИРУСЫ 301 Мобильные генетические элементы кодируют компоненты, необходимые им для перемещения 302 Человеческий геном содержит два больших семейства транспозонов 303 Вирусы могут перемещаться между клетками и организмами 304 Ретровирусы обращают вспять нормальный поток генетической информации 305 ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 306 Нуклеотидные последовательности человеческих геномов показывают, как организованы наши гены 307 Различия в регуляции генов могут помочь понять, почему животные с похожими геномами такие разные 309 Геном вымерших неандертальцев помогает понять, что делает нас людьми 312 Изменчивость генома вносит вклад в нашу индивидуальность — но как? 312 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 313 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 314

Стр.785

Оглавление 785 ГЛАВА 10 Анализ структуры и функций генов 317 ВЫДЕЛЕНИЕ И КЛОНИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛ ДНК 317 Ферменты рестрикции разрезают молекулы ДНК в определенных сайтах 318 Гельэлектрофорез разделяет фрагменты ДНК разного размера 319 Клонирование ДНК начинается с получения рекомбинантной ДНК 319 Рекомбинантные ДНК можно копировать внутри бактериальных клеток 320 Целый геном можно представить в форме библиотеки ДНК 322 Гибридизация — чувствительный метод нахождения конкретных нуклеотидных последовательностей 323 КЛОНИРОВАНИЕ ДНК ПРИ ПОМОЩИ ПЦР 324 В ПЦР для амплификации последовательностей ДНК в пробирке используют ДНК полимеразы и специальные ДНКпраймеры 324 ПЦР используют в диагностике и судебной медицине 326 СЕКВЕНИРОВАНИЕ ДНК 328 Метод терминации цепи основан на анализе цепей ДНК, терминированных в каждом положении 328 Методы секвенирования следующего поколения делают секвенирование геномов более быстрым и менее дорогостоящим 328 Метод дробовика 329 Клон за клоном 331 Теперь все вместе 331 Сравнительный анализ геномов позволяет находить гены и предсказывать их функции 332 ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИЙ ГЕНОВ 332 Анализ мРНК дает моментальный снимок экспрессии генов 333 Гибридизация in situ может показать, когда и где экспрессируется ген 333 Репортерные гены позволяют следить за конкретными белками в клетке 334 Изучение мутантов может помочь определить функцию гена 334 РНКинтерференция ингибирует активность конкретных генов 335 Известный ген можно удалить или заменить 336 Гены можно очень точно редактировать с использованием бактериальной системы CRISPR 338 Мутантные организмы удобны в качестве моделей для изучения заболеваний человека 339 Трансгенные растения важны как для клеточной биологии, так и для сельского хозяйства 339 При помощи клонированной ДНК даже редкие белки можно получать в больших количествах 341 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 342 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 343

Стр.786

786 Оглавление ГЛАВА 11 Структура мембран 345 ЛИПИДНЫЙ БИСЛОЙ 346 Мембранные липиды образуют бислой в водной среде 347 Липидный бислой — эластичная двумерная жидкость 350 Текучесть липидного бислоя зависит от его состава 351 Сборка мембраны начинается в ЭПР 352 Некоторые фосфолипиды находятся только с одной стороны мембраны 353 МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ 354 Мембранные белки связываются с липидным бислоем различными способами 355 Полипептидная цепь обычно проходит через липидный бислой в форме спирали 356 Детергенты могут высвобождать мембранные белки 357 Человек изучил полную структуру незначительного числа мембранных белков 359 Плазматическая мембрана усилена разветвленной белковой сетью со стороны цитоплазмы 359 В клетке может быть ограничено перемещение мембранных белков 360 Поверхность клетки покрыта углеводами 362 FRAP 363 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 364 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 366 ГЛАВА 12 Транспорт через клеточные мембраны 369 ПРИНЦИПЫ ТРАНСМЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА 370 Липидный бислой непроницаем для ионов и большинства незаряженных полярных молекул 370 Концентрации ионов внутри и снаружи клетки сильно различаются 370 Разница концентраций неорганических ионов с обеих сторон клеточной мембраны создает мембранный потенциал 371 В клетках присутствуют два класса мембранных транспортных белков: транспортеры и каналы 371 Растворенные вещества проходят через мембраны за счет пассивного или активного транспорта 372 Градиент концентрации и мембранный потенциал влияют на пассивный транспорт заряженных растворенных веществ 373 Процесс перемещения воды через клеточные мембраны по градиенту концентрации называют осмосом 373

Стр.787

Оглавление 787 ФУНКЦИИ БЕЛКОВ-ТРАНСПОРТЕРОВ 374 Пассивные транспортеры перемещают растворенное вещество по его электрохимическому градиенту 375 Молекулярные насосы активно переносят растворенные вещества против электрохимического градиента 376 Na+ Na+ насос использует энергию АТФ для транспортировки ионов Na+ и K+ внутрь клеток животных 376 насос создает значительный градиент концентрации Na+ мембране 378 Ca2+ наружу на плазматической насос поддерживает в цитоплазме низкую концентрацию ионов Ca2+ Электрохимический градиент ионов Na+ 378 Молекулярные насосы с сопряжением градиентов обеспечивают активный транспорт растворенных веществ с использованием их градиентов 379 управляет переносом глюкозы через плазматическую мембрану клеток животных 379 Электрохимический протонный градиент стимулирует перенос растворенных веществ в растениях, грибах и бактериях 380 ИОННЫЕ КАНАЛЫ И МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ 382 Ионселективные и замкнутые ионные каналы 382 Мембранный потенциал определяется проницаемостью мембраны для определенных ионов 383 Состояние ионных каналов случайным образом переключается в открытое или закрытое 385 На открытие и закрытие ионных каналов влияют различные стимулы 387 Потенциалзависимые ионные каналы реагируют на мембранный потенциал 388 ИОННЫЕ КАНАЛЫ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ НЕРВНЫМИ КЛЕТКАМИ 389 Потенциал действия обеспечивает быструю передачу сигналов по аксонам на большие расстояния 390 Потенциалзависимые катионные каналы участвуют в передаче потенциала действия 390 Потенциалзависимые Ca2+ сигнал в химический 395 каналы нервных окончаний преобразуют электрический Лигандзависимые ионные каналы постсинаптической мембраны преобразуют химический сигнал обратно в электрический импульс 396 Нейромедиаторы могут быть возбуждающими или тормозящими 398 Большинство психоактивных препаратов влияют на синаптические сигналы посредством контактов с рецепторами нейромедиаторов 398 Сложность синаптической передачи сигналов позволяет нам думать, действовать, учиться и помнить 399 Светозависимые ионные каналы могут быть использованы для временной активации или инактивации нейронов живых животных 400 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 401 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 402

Стр.788

788 Оглавление ГЛАВА 13 Как клетки получают энергию из пищи 405 РАСПАД И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕВОДОВ И ЖИРОВ 405 Молекулы пищи полностью распадаются за три этапа 406 В гликолизе образуется энергия при расщеплении углеводов 408 При гликолизе образуется АТФ и НАДН 409 В результате брожения АТФ может синтезироваться в отсутствие кислорода 412 Ферменты гликолиза связывают процессы окисления с накоплением энергии в активированных переносчиках 413 В митохондриальном матриксе в ацетилКоА превращаются несколько типов органических молекул 415 В цикле лимонной кислоты НАДН образуется за счет окисления ацетильных групп до СО2 416 Многие пути биосинтеза начинаются с гликолиза или цикла лимонной кислоты 420 В большинстве типов клеток синтез основного количества молекул АТФ запускается с помощью транспорта электронов 423 РЕГУЛИРОВАНИЕ МЕТАБОЛИЗМА 423 Катаболические и анаболические реакции организованы и отрегулированы 424 Регуляция по типу обратной связи позволяет клеткам переключаться с расщепления глюкозы на ее синтез 424 Клетки хранят пищевые молекулы в специальных резервуарах на черный день 425 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 428 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 428 ГЛАВА 14 Энергия образуется в митохондриях и хлоропластах 431 Клетки получают большую часть своей энергии с помощью механизма, связанного с мембранным переносом 431 Хемиосмотическое сопряжение — сохранившийся в современных клетках древнейший процесс 433 МИТОХОНДРИИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ 434 Структура, расположение и количество митохондрий могут сильно варьировать от клетки к клетке 434 В митохондрии есть внешняя мембрана, внутренняя мембрана и два внутримитохондриальных компартмента 435 В цикле лимонной кислоты образуются необходимые для производства АТФ высокоэнергетические электроны 437

Стр.789

Оглавление 789 Движение электронов сопряжено с переносом протонов 437 Электроны проходят через три больших комплекса ферментов внутренней мембраны митохондрий 439 Перенос протонов через внутреннюю мембрану митохондрий создает большой электрохимический протонный градиент 439 АТФсинтаза использует запасенную в электрохимическом протонном градиенте энергию для синтеза АТФ 440 Электрохимический градиент протонов может управлять молекулярным транспортом через внутреннюю мембрану митохондрий 442 Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях поддерживает в клетках высокое отношение АТФ/АДФ 443 Клеточное дыхание невероятно эффективно 443 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ И ПРОТОНОВ 444 Протоны легко перемещаются в результате переноса электронов 444 Редокспотенциал — мера сродства к электрону 445 Перенос электронов высвобождает большое количество энергии 447 Прочно связанные с белками металлы образуют универсальные переносчики электронов 447 Цитохромсоксидаза катализирует восстановление молекулярного кислорода 448 ХЛОРОПЛАСТЫ И ФОТОСИНТЕЗ 452 По строению хлоропласты похожи на митохондрии, но имеют дополнительный компартмент тилакоид 452 В фотосинтезе сначала образуются, а затем потребляются АТФ и НАДФН 453 Молекулы хлорофилла поглощают энергию солнечного света 454 Возбужденные молекулы хлорофилла направляют энергию в реакционный центр 454 Две фотосистемы взаимодействуют для образования АТФ и НАДФН 455 Кислород образуется связанным с фотосистемой II молекулярным комплексом при расщеплении воды 457 Специальная пара в фотосистеме I получает электроны от фотосистемы II 458 Связывание углерода использует АТФ и НАДФН для преобразования CO2 в углеводы 458 Образующиеся в результате связывания углерода углеводы могут храниться в виде крахмала или использоваться для производства АТФ 460 ЭВОЛЮЦИЯ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ 461 Окислительное фосфорилирование развивалось этапами 461 Фотосинтетические бактерии мало зависят от условий окружающей среды 462 Образ жизни Methanococcus позволяет предположить, что хемиосмотическое сопряжение — древний процесс 463 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 464 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 465

Стр.790

790 Оглавление ГЛАВА 15 Внутриклеточные компартменты и транспорт белков 469 ОКРУЖЕННЫЕ МЕМБРАНОЙ ОРГАНЕЛЛЫ 469 Все клетки эукариот содержат базовый набор мембранных органелл 470 Мембранные органеллы эволюционировали поразному 471 ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ СОРТИРОВКА БЕЛКА 473 Три механизма транспорта белков в органеллы 473 Сигнальные последовательности направляют белки в правильный внутриклеточный компартмент 474 Белки попадают в ядро через ядерные поры 475 Для транспортировки в митохондрии и хлоропласты белки разворачиваются 477 Белки попадают в пероксисомы из цитозоля и эндоплазматического ретикулума 478 Белки попадают в эндоплазматический ретикулум при их синтезе 478 Образованные в ЭПР растворимые белки попадают в его просвет 480 Старт и стопсигналы определяют расположение трансмембранного белка в липидном бислое 481 ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ 483 Транспортные везикулы перемещают растворимые белки и мембраны между внутриклеточными компартментами 483 Отпочковывание везикул связано со сборкой их белковой оболочки 485 Контакт и слияние везикул с местом предназначения зависят от белков везикулярного транспорта 486 СЕКРЕТОРНЫЙ ПУТЬ 487 Большинство белков в ЭПР подвергаются ковалентной модификации 487 При выходе из ЭПР контролируется качество белка 489 Размер ЭПР определяется необходимостью фолдинга белка 489 Комплекс Гольджи — следующий пункт модификации и сортировки белков 490 Секреторные белки высвобождаются из клетки путем экзоцитоза 490 ПУТИ ЭНДОЦИТОЗА 494 Специализированные фагоцитирующие клетки поглощают крупные частицы 494 Клетка поглощает жидкость и макромолекулы с помощью пиноцитоза 495 Опосредованный рецепторами эндоцитоз обеспечивает попадание специфичных молекул в клетки животных 495 Поглощенные эндоцитозом макромолекулы сортируются в эндосомах 497 Лизосомы — основное место осуществления внутриклеточного пищеварения 498 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 499 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 500

Стр.791

Оглавление 791 ГЛАВА 16 Клеточная сигнализация 503 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КЛЕТОЧНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ 503 Межклеточные сигналы могут действовать на больших и коротких расстояниях 504 Незначительное число внеклеточных сигналов может вызвать разнообразные изменения в поведении клеток 505 Ответ клетки на сигнал может быть быстрым или медленным 508 Рецепторы на поверхности клетки передают внеклеточные сигналы через внутриклеточные сигнальные пути 509 Некоторые внутриклеточные сигнальные белки действуют как молекулярные переключатели 510 Рецепторы на поверхности клетки делят на три основных класса 511 Ионотропные рецепторы преобразуют химические сигналы в электрические 513 РЕЦЕПТОРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ 513 Воздействие GPCR активирует субъединицы Gбелка 514 Некоторые бактериальные токсины вызывают заболевание в результате изменения активности Gбелков 516 Некоторые Gбелки напрямую регулируют ионные каналы 516 Многие Gбелки активируют мембраносвязанные ферменты, продуцирующие небольшие молекулымессенджеры 517 Путь передачи сигналов с циклическим АМФ может активировать ферменты и включать гены 517 Путь фосфатидилинозитола вызывает внутри клетки повышение концентрации ионов Ca2+ 520 Сигнал ионов Ca2+ запускает многие биологические процессы 521 GPCRзависимый путь передачи сигналов образует растворимый газ, переносящий сигнал в соседние клетки 522 Запускаемые GPCR внутриклеточные сигнальные каскады могут действовать с удивительными скоростью, чувствительностью и адаптируемостью 523 СОПРЯЖЕННЫЕ С ФЕРМЕНТАМИ РЕЦЕПТОРЫ 524 Активированные РTK задействуют комплекс внутриклеточных сигнальных белков 525 Большинство РTK активируют малую ГТФазу Ras 526 РTK активируют фосфатидилинозитол3киназу в плазматической мембране для образования участков контактов с липидами 527 Некоторые рецепторы активируют быстрое перемещение к ядру клетки 532 Некоторые внеклеточные сигнальные молекулы проходят через плазматическую мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами 532 У растений клеточная сигнализация и рецепторы отличаются от используемых животными 533 Паутина взаимосвязей протеинкиназ интегрирует информацию для управления сложным клеточным поведением 534 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 535 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 536

Стр.792

792 Оглавление ГЛАВА 17 Цитоскелет 539 ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ 540 Прочные промежуточные волокна напоминают канат 541 Промежуточные филаменты делают клетки устойчивыми к механическим нагрузкам 542 Ядерную оболочку поддерживает сеть из промежуточных филаментов 544 Белкилинкеры соединяют филаменты цитоскелета с ядерной оболочкой 545 МИКРОТРУБОЧКИ 545 Микротрубочки — это полые трубочки со структурно различающимися концами 546 Центросома — основной центр организации микротрубочек в клетках животных 547 Микротрубочки динамически нестабильны 548 Динамическая нестабильность обусловлена гидролизом ГТФ 549 Динамику микротрубочек могут изменять лекарственные препараты 550 Микротрубочки организуют внутреннюю часть клетки 550 Двигательные белки управляют внутриклеточным транспортом 552 Микротрубочки и двигательные белки размещают органеллы в цитоплазме на своих местах 552 В ресничках и жгутиках содержатся перемещаемые динеином стабильные микротрубочки 556 АКТИНОВЫЕ ФИЛАМЕНТЫ 558 Актиновые филаменты тонкие и гибкие 559 Процессы полимеризации актина и тубулина похожи 559 Многие белки связываются с актином и изменяют его свойства 560 Богатый актиновыми филаментами клеточный кортекс расположен под плазматической мембраной большинства клеток эукариот 561 Ползание клеток зависит от актина клеточного кортекса 561 Актинсвязывающие белки влияют на форму выпячиваний на переднем крае клетки 563 Внеклеточные сигналы могут изменять расположение актиновых филаментов 564 Актин связывается с миозином и образует способные к сокращению структуры 564 СОКРАЩЕНИЕ МЫШЦ 565 Сокращение мышц зависит от взаимодействующих филаментов актина и миозина 565 В процессе мышечного сокращения актиновые филаменты скользят по миозиновым 567 Сокращение мышц вызвано внезапным повышением концентрации ионов Ca2+ цитозоле 569 Типы мышечных клеток выполняют разные функции 571 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 571 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 572 в

Стр.793

Оглавление 793 ГЛАВА 18 Клеточный цикл 575 ОБЗОР КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА 576 Клеточный цикл у эукариот состоит из четырех фаз 576 Система контроля клеточного цикла запускает основные его процессы 577 Система контроля клеточного цикла одинакова у всех эукариот 578 СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА 578 Система контроля клеточного цикла зависит от циклически активируемых протеинкиназ Cdk 578 Различные комплексы циклинCdk запускают разные этапы клеточного цикла 579 Концентрацию циклинов регулируют транскрипция и протеолиз 581 Активность комплексов циклинCdk зависит от их фосфорилирования и дефосфорилирования 582 Активность Cdk может быть заблокирована белкамиингибиторами 583 Система контроля клеточного цикла способна остановить цикл различными способами 583 G1 -ФАЗА 583 В G1фазе Cdk всегда инактивированы 584 Митогены способствуют образованию циклинов, стимулирующих деление клеток 584 Повреждение ДНК может приостановить наступление G1фазы 584 Клетки могут задерживать свое деление на длительное время за счет перехода в специализированные непролиферативные состояния 586 S-ФАЗА 586 SCdk инициирует репликацию ДНК и блокирует повторную репликацию 586 Неполная репликация ДНК может привести к остановке клеточного цикла в G2 М-ФАЗА фазе 587 587 MCdk обеспечивает клетке вход в фазу митоза 588 Когезины и конденсины подготавливают удвоенные хромосомы для разделения 588 В митозе и цитокинезе участвуют различные комплексы цитоскелета 589 МФаза осуществляется поэтапно 590 МИТОЗ 590 Две центросомы участвуют в формировании двух полюсов веретена деления 590 Веретено деления начинает собираться в профазе 590 Хромосомы прикрепляются к веретену деления в прометафазе 591 Хромосомы участвуют в сборке веретена деления 595 В метафазе веретено деления выстраивает хромосомы на экваторе клетки 595 Протеолиз приводит к разделению сестринских хроматид в анафазе 596 Хромосомы разделяются во время анафазы 596 Неприкрепленная хромосома не позволит разделить сестринские хроматиды 598 В телофазе ядерная оболочка формируется заново 598

Стр.794

794 Оглавление ЦИТОКИНЕЗ 598 Веретено деления определяет плоскость разделения цитоплазмы 599 Сократительное кольцо клеток животных состоит из актиновых и миозиновых филаментов 599 В цитокинезе растительных клеток формируется новая клеточная стенка 600 При делении мембранные органеллы должны быть распределены по дочерним клеткам 601 КОНТРОЛЬ ЧИСЛА И РАЗМЕРА КЛЕТОК 602 Апоптоз у животных помогает регулировать количество клеток 602 Апоптоз реализуется за счет внутриклеточного каскада протеолитических ферментов 603 Программу гибели клетки путем апоптоза регулирует семейство внутриклеточных белков Bcl2 604 Сигналы для инициации апоптоза могут исходить от других клеток 605 Клеткам животных необходимы внеклеточные сигналы для жизни, роста и деления 605 Факторы выживания подавляют апоптоз 606 Митогены способствуют переходу клеток в Sфазу и стимулируют деление клеток 606 Факторы роста стимулируют рост клеток 607 Выживание, деление или рост клеток могут быть ограничены действием некоторых внеклеточных сигнальных белков 608 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 608 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 609 ГЛАВА 19 Половое размножение и генетика 613 ПРЕИМУЩЕСТВА ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ 613 В половом размножении участвуют как диплоидные, так и гаплоидные клетки 614 Половое размножение создает генетическое разнообразие 615 Половое размножение дает организмам конкурентное преимущество в изменяющейся окружающей среде 615 МЕЙОЗ И ОПЛОДОТВОРЕНИЕ 616 Мейоз включает в себя два этапа репликации ДНК и два этапа деления ядра 616 Удвоенные гомологичные хромосомы спариваются в профазе мейоза 618 Кроссинговер происходит между удвоенными материнскими и отцовскими хромосомами в биваленте 619 Спаривание и кроссинговер хромосом обеспечивают правильное расхождение гомологов 620 Второе деление мейоза дает дочерние гаплоидные ядра 621

Стр.795

Оглавление 795 Гаплоидные гаметы содержат перетасованную генетическую информацию 621 Мейоз не безупречен 622 Оплодотворение восстанавливает полный диплоидный геном 623 МЕНДЕЛЬ И ЗАКОНЫ НАСЛЕДОВАНИЯ 624 Мендель изучал признаки, наследуемые дискретно 625 Мендель опроверг альтернативные теории наследования 625 Эксперименты Менделя показали существование доминантных и рецессивных аллелей 626 Гамета несет один аллель каждого признака 626 Закон расщепления признаков Менделя действует во всех организмах, размножающихся половым путем 627 Аллели разных признаков наследуются независимо 628 Поведение хромосом в ходе мейоза лежит в основе законов наследования Менделя 629 Гены, расположенные на одной хромосоме, могут расщепляться независимо в результате кроссинговера 630 Мутации в гене могут привести к потере функции или приобретению функции 631 Каждый из нас несет множество потенциально вредных рецессивных мутаций 631 ГЕНЕТИКА КАК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 632 Классический генетический подход начинается со случайного мутагенеза 632 Генетический скрининг идентифицирует мутантов с нарушением определенных клеточных процессов 634 Условные мутанты позволяют изучать летальные мутации 635 Тест на комплементацию показывает, находятся ли две мутации в одном гене 635 ИЗУЧЕНИЕ ГЕНЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА 636 Сцепленные блоки полиморфизмов передавались из поколения в поколение от наших предков 636 Полиморфизмы проливают свет на нашу эволюционную историю 637 Генетические исследования помогают найти причины заболеваний человека 637 Многие тяжелые и редкие заболевания человека вызваны мутациями в отдельных генах 638 На распространенные болезни человека часто влияют множественные мутации и факторы окружающей среды 639 Полногеномный поиск ассоциаций помогает найти мутации, связанные с болезнями 640 Мы многого не знаем о генетических основах изменчивости и заболеваний человека 640 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 643 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 644

Стр.796

796 Оглавление ГЛАВА 20 Сообщества клеток: ткани, стволовые клетки и злокачественные опухоли 647 ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТКАНИ 648 Растительные клетки имеют жесткие клеточные стенки 648 Прочность на разрыв придают растительной клеточной стенке целлюлозные микрофибриллы 649 Соединительные ткани животных состоят в основном из внеклеточного матрикса 650 Соединительным тканям животных прочность на разрыв придает коллаген 652 Клетки структурируют коллаген, который они секретируют 653 Интегрины связывают внеклеточный матрикс с цитоскелетом клеток 654 Гели из полисахаридов и белков заполняют объем и противостоят сжатию 656 ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ 657 Эпителиальные клетки поляризованы и лежат на базальной мембране 658 Плотные контакты препятствуют прохождению веществ между клетками эпителия и разделяют их апикальную и базальную поверхности 659 Контакты, связанные с цитоскелетом, прочно соединяют эпителиальные клетки друг с другом и с базальной мембраной 659 Щелевые контакты позволяют клеткам обмениваться ионами и малыми молекулами 662 САМООБНОВЛЕНИЕ ТКАНЕЙ И СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ 665 Ткани состоят из многих типов клеток, расположенных упорядоченно 665 Различные ткани обновляются с разной скоростью 667 Стволовые клетки и пролиферирующие клеткипредшественники — постоянный источник терминально дифференцированных клеток 667 Для поддержания популяций стволовых клеток служат специальные сигналы 669 Стволовые клетки можно использовать для восстановления поврежденных тканей 670 Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — удобный источник получения плюрипотентных стволовых клеток человека 671 Плюрипотентные стволовые клетки мыши и человека могут формировать в культуре ткани органоиды 672 ОНКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 673 Раковые клетки избыточно размножаются и аномально мигрируют 673 Эпидемиология выявляет предотвратимые случаи рака 674 Онкологические заболевания возникают изза накопления мутаций 674 Трансформированные клетки приобретают свойства, которые дают им конкурентное преимущество 675 В развитии злокачественных опухолей играют решающую роль две группы генов — онкогены и генысупрессоры опухолей 677 Большинство критически важных для развития рака мутаций кодируют белки, участвующие в нескольких главных сигнальных путях 679 Рак кишечника — иллюстрация того, как утрата функции генасупрессора может приводить к развитию злокачественной опухоли 679 Изучение клеточной биологии трансформированных клеток позволяет разработать новые способы лечения 681 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 682 ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ 685 ОТВЕТЫ 687 СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 747 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 773

Стр.797