понедельник, 17 апреля 2017 г.

4.1. Прокариоты

Урок: 4.1. Прокариоты

Транскрибация урока: [МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Хеморецепция — способность организмов воспринимать химические стимулы из окружающей среды — это эволюционно очень древнее чувство. Первые организмы населяли водную среду, и способность реагировать на химический состав среды была критичной для их выживания. Мы не можем знать, насколько были чувствительны те первые клетки, но современные бактерии определяют изменение концентрации на сотые доли процента, и это при микромолярных концентрациях веществ, то есть абсолютные величины получаются очень маленькие, и диапазон определяемых концентраций очень широкий. Современные подвижные бактерии не просто чувствительны к химическим веществам в окружающей среде, они способны не только обнаружить, но и еще действовать в соответствии с обнаруженным веществом, то есть они обладают таксисом. Движение осуществляется по градиенту концентрации привлекательного вещества, аттрактанта, или против градиента репелента. К аттрактантам относятся сахара и аминокислоты, а в категорию репелентов попадают жирные кислоты, спирты, другие потенциально вредоносные вещества, токсины. Как одноклеточный организм может осуществить такую направленную деятельность? Все вещества взаимодействуют со специфическими белками-рецепторами на мембране клетки. Мембранные рецепторы сгруппированы в кластеры и обычно расположены на полюсах клетки, но расстояние между полюсами маленькое, потому что бактерии сами по себе маленькие, и уловить разницу концентраций практически невозможно, и поэтому бактериям приходится оценивать значения концентрации вещества в разных точках пространства при движении. Любимый модельный организм генетиков, биохимиков — кишечная палочка — в секунду преодолевает около 10–20 своих размеров, то есть до 100 мкм, и вот именно взаимодействие вещества с рецептором приводит в конце концов к направленному движению клетки. Вообще, подвижность любых бактерий осуществляется за счет жгутиков. Жгутик прокариот — это жесткая спиральная белковая нить, это уникальная структура, единственная природная структура, которая способна совершать настоящее вращение, то есть 360 градусов и дальше. Основание жгутика вращается со скоростью около 100 об/сек. Вращение может осуществляться как по часовой стрелке, так и против. Если жгутики — их у клетки, как правило, несколько штук — вращаются против часовой стрелки, то они собираются в единый пучок и толкают бактерию вперед прямолинейно. Если же жгутики вращаются по часовой стрелке, то в силу такой своей жесткой спиральности, они растопыриваются в разные стороны, и получается, что каждый толкает в своем направлении и происходит беспорядочное кувыркание бактерии на месте. Впрочем, не только переключение направления вращения жгутиков используется бактериями. У некоторых вращение единственного жгутика сменяется его остановкой, а другие никогда не прекращают вращение жгутика и только изменяют его скорость. Но всех этих случаях результат сходен: характер движения бактерии меняется. Да, случайным образом, но если бактерия движется в правильном направлении, то хаотические движения случаются существенно реже, чем если бы она двигалась в любом другом, и продолжительность правильного движения увеличивается. А правильным движение будет считаться, если от точки к точке концентрация аттрактанта увеличивается, а репелента, соответственно, падает. И вот тут мы подходим к самому интересному: как работает сенсорная система хемотаксиса? Ведь, с одной стороны, бактерии должны обрабатывать химические сигналы очень быстро, а с другой стороны, в статических условиях, то есть в отсутствие этого градиента концентрации, сенсорную стимуляцию надо отключать, потому что двигаться никуда не нужно. И действительно, показано, что от стимула до момента переключения вращения жгутиков в клетке происходит не более 0,2 секунды, системы обработки сигнала работают очень быстро. Для хемотаксиса у бактерий существенными являются три группы белков: непосредственно взаимодействующие с молекулами химического вещества трансмембранные рецепторы, внутриклеточные белки, передающие сигнал от рецепторов к жгутикам, и белки, отвечающие за адаптацию рецепторов. Рецепторы — это метилируемые белки хемотаксиса. Довольно обширное семейство, все белки состоят из двух субъединиц, каждая примерно из 550 аминокислотных остатков, и каждая дважды проходит через цитоплазматическую мембрану. Внешние петли этого комплекса отвечают за распознавание молекул, а цитоплазматические участки — за внутриклеточную передачу сигнала и за адаптацию рецептора. Метилирумые белки хемотаксиса у кишечной палочки реагируют на аминокислоту серин, на аспарагиновую кислоту и сахарид мальтозу, на моносахариды, такие как рибоза, глюкоза, галактоза, и на дипептиды. У сальмонелл нет рецептора для дипептидов, но есть рецептор для цитрата, а некоторые метилируемые белки хемотаксиса у других бактерий могут реагировать на изменения температуры, кислотности, а также существуют различные рецепторы для репелентов. Взаимодействие белка-рецептора и лиганда приводит к изменению конформации рецептора, а потом, соответственно, к изменению активности внутриклеточных ферментов. Система передачи сигнала от рецептора к жгутику включает в себя четыре белка, но ведущий из них — это гистидинкиназа, белок-фермент, который, во-первых, непосредственно взаимодействует с цитоплазматическим отделом рецептора, ну а во-вторых, он фосфорилирует белки, которые будут взаимодействовать с базальным телом жгутика. В отсутствие аттрактанта фермент активен, количество фосфорилированных белков-регуляторов достаточно для того, чтобы жгутик вращался по часовой стрелке, поэтому бактерия кувыркается и никуда не двигается. Как только рецептор взаимодействует с аттрактантом, изменяется его конформация, активность гистидинкиназы снижается, становится меньше этих фосфорилированных белков-регуляторов, и жгутики более продолжительное время вращаются против часовой стрелки, клетка движется прямолинейно. Третья группа факторов, существенных для хемотаксиса — это белки, осуществляющие сенсорную адаптацию рецепторов. Эта сенсорная адаптация осуществляется путем обратимого метилирования рецепторов, ведь не зря же они зовутся «метилируемые белки хемотаксиса». Участки для метилирования находятся в цитоплазматических петлях, и присоединение метильных групп к ним оказывает действие, противоположное связыванию аттрактанта, хотя именно аттрактантом и стимулируется. Вот смотрите, какая получается схема. Взаимодействие рецептора и аттрактанта приводит к изменению конформации рецептора, снижается активность гистидинкиназы, уменьшается количество фосфорилированных белков-регуляторов, жгутики вращаются против часовой стрелки, бактерия движется прямолинейно. Но в то же время изменение конформации рецептора приводит к тому, что появляются доступные для метилирования группы, и этот процесс ослабляет воздействие на гистидинкиназу, появляются фосфорилированные белки-регуляторы, вращение по часовой стрелке начинается у жгутиков, и бактерия кувыркается, стоит на месте. Если направление прямолинейного движения неверное, то через некоторое время рецептор освободится, активируется работа гистидинкиназы, начнется обычный процесс, бактерия замрет, начнет кувыркаться на месте. А если направление верное, то бактерии удастся более длительное время двигаться по прямой, но поскольку рецепторы все равно прометилируются, их сигнальная активность восстановится, и прямолинейное движение все равно закончится. Метилирование рецепторов обеспечивает простейшую молекулярную память, позволяющую бактерии контролировать правильность направления движения. Сравнивая текущую загруженность рецепторов с тем, что было несколько секунд назад, клетка фактически оценивает разницу концентраций нужного вещества в точках, расстояние между которыми во много раз превышает длину этой клетки. И если условия изменились, то активность гистидинкиназы будет соответственно откорректирована, и изменится продолжительность прямолинейного движения бактерии.

Часть: 4.1. Прокариоты

Модуль: Хемочувствительность

Описание модуля:  В этой части курса речь пойдет о хеморецепции – способности клеток и организмов воспринимать химические стимулы из окружающей среды и реагировать на них. Взаимодействие рецептора и лиганда обеспечивает направленное движение одноклеточных организмов, служит основой обоняния и вкуса и позволяет многоклеточным организмам регулировать параметры внутренней среды. Мы узнаем, что такое метилируемые белки хемотаксиса, как работают чувствительные щетинки членистоногих, отвечающие за восприятие запаха и вкуса, чем отличаются вкусовые почки и рецепторные клетки обонятельного эпителия позвоночных, а также о том, как осуществляется восприятие разных типов вкусовых веществ и почему незначительные изменения в структуре молекул могут принципиально изменить их запах.

Курс: Биосенсоры

Описание курса: Чем больше информации об окружающей среде получает организм, тем выше его шансы на выживание. Все живое так или иначе реагирует на изменения вокруг себя. Улавливать эти изменения и сигнализировать о них центральной нервной системе – задача сенсоров клеточных мембран, чувствительных к той или иной форме энергии.

На этом курсе вы узнаете об устройстве различных сенсорных систем на молекулярном уровне и познакомитесь с некоторыми деталями работы нервной системы. Мы выясним, как реагирует простейшая сенсорная система на уровне одноклеточных организмов, как они определяют погодные условия вокруг себя и какие глаза бывают у одноклеточных.

Вместе с эволюцией организма происходит эволюция его сенсоров. Поэтому в ходе курса вам придется столкнуться с самыми разнообразными сенсорными системами многоклеточных животных: механо- и термочувствительной, хемо- и фоточувствительной, а также узнать о редких и недоступных людям способах ощущения мира – электро- и магниторецепции.

Программа:

Неделя 1

Молекулярные основы сенсорных систем

В первой части мы с вами познакомимся с молекулярными основами сенсорных систем. Структуры, воспринимающие сигналы из окружающей среды – рецепторы – могут оказаться и целыми клетками, и отдельными молекулами. Вы узнаете, какие существуют варианты рецепторов и что служит для них адекватным стимулом, что такое рецептивное поле и зачем нужна конвергенция. Мы разберем, как устроена мембрана клеток, на которой начинается обработка сигнала; как появляется нервный импульс и как он передается; как специализирована кора головного мозга, обрабатывающая полученную информацию.

Видео: Промо-ролик курса
Видео: Приветствие слушателям курса
Видео: 1.1. Общие черты строения сенсорных систем
Видео: 1.2. Строение мембраны
Видео: 1.3. Рецепторные белки
Видео: 1.4. Мембранный потенциал и нервный импульс
Видео: 1.5. Регуляция динамических свойств мембран

Неделя 2

В этом модуле мы знакомимся с особенностями восприятия механических стимулов. Молекулярные основы механорецепции – далеко не полностью изученная область, но мембранные каналы, изменяющие свою пропускную способность в ответ на растяжение или давление, функционируют в самых разных клетках, обеспечивая организмам разнообразные способы ориентации. Первый раздел – о механорецепторах позвоночных и беспозвоночных, позволяющих ощущать прикосновения, оценивать свойства поверхности и положение частей тела в пространстве.

Видео: 2.1. Механорецепторы мембраны
Видео: 2.2. Ракообразные, насекомые, паукообразные
Видео: 2.3. Осязание позвоночных
Видео: 2.4. Кинестезия у млекопитающих
Видео: 2.5. Анализ тактильной информации у млекопитающих

Неделя 3

Механочувствительность. Часть 2

Механочувствительность обеспечивает восприятие весьма разнообразных характеристик внешнего мира. В этом модуле мы рассмотрим развитие внутреннего уха у позвоночных. Этот орган обеспечивает и чувство равновесия, и слух, и способность к эхолокации – и все это базируется на работе механорецепторов.

Видео: 3.1. Внутреннее ухо: слух
Видео: 3.2. Внутреннее ухо: равновесие
Видео: 3.3. Эволюция уха
Видео: 3.4. Эхолокация

Неделя 4

Хемочувствительность

В этой части курса речь пойдет о хеморецепции – способности клеток и организмов воспринимать химические стимулы из окружающей среды и реагировать на них. Взаимодействие рецептора и лиганда обеспечивает направленное движение одноклеточных организмов, служит основой обоняния и вкуса и позволяет многоклеточным организмам регулировать параметры внутренней среды. Мы узнаем, что такое метилируемые белки хемотаксиса, как работают чувствительные щетинки членистоногих, отвечающие за восприятие запаха и вкуса, чем отличаются вкусовые почки и рецепторные клетки обонятельного эпителия позвоночных, а также о том, как осуществляется восприятие разных типов вкусовых веществ и почему незначительные изменения в структуре молекул могут принципиально изменить их запах.

Видео: 4.1. Прокариоты
Видео: 4.2. Хеморецепция многоклеточных: общие сведения
Видео: 4.3. Обоняние и вкус у насекомых
Видео: 4.4. Вкус у позвоночных
Видео: 4.5. Обоняние у позвоночных

Неделя 5

Фоточувствительность. Часть 1

В этом модуле мы рассмотрим фоторецепцию – восприятие солнечного света. Возможность чувствовать солнечный свет обеспечивают молекулы с сопряженными двойными связями, а от особенностей строения рецепторной молекулы зависит воспринимаемая клетками – и организмами – широта светового спектра. В первом разделе мы познакомимся с особенностями строения разнообразных глазков одноклеточных организмов, с устройством простых и сложных (фасеточных) глаз беспозвоночных; рассмотрим организацию камерного глаза головоногих.

Видео: Обращение к слушателям
Видео: 5.1. Светочувствительность: общие сведения
Видео: 5.2. Глазки одноклеточных
Видео: 5.3. Сложноустроенные "простые глаза"
Видео: 5.4. А как у моллюсков?
Видео: 5.5. Сложные глаза беспозвоночных

Неделя 6

Фоточувствительность. Часть 2

Этот раздел познакомит нас с устройством глаз позвоночных животных и с особенностями работы их сетчатки. Разные животные воспринимают разные области солнечного спектра, и это приносит им огромную пользу, хотя далеко не все животные видят мир таким многоцветным, как люди.

Видео: 6.1. Глаза позвоночных животных
Видео: 6.2. Функционирование сетчатки
Видео: 6.3. Что за сетчаткой?
Видео: 6.4. Варианты зрения позвоночных

Неделя 7

Редкие чувства

В этой части речь пойдет о самых редких, удивительных и даже невообразимых чувствах. Мы познакомимся с особенностями теменного глаза, который работает и как воспринимающая свет структура, и как эндокринная железа. Относительно простая и обычная термочувствительность тесно связана с инфракрасной чувствительностью, которой обладают насекомые и змеи. Мы познакомимся с электрорецепцией, возможность появления которой обеспечила боковая линия рыб, и с магниторецепцией, четко проявляющейся у некоторых бактерий и вызывающей много вопросов применительно к птицам. Кроме того, мы узнаем кто может видеть мир в поляризованном свете, какие особенности строения глаз дарят такую возможность, и какая от этого может быть польза.

Видео: 7.1. Третий глаз – кому он нужен?
Видео: 7.2. Термочувствительность
Видео: 7.3. Инфракрасная чувствительность
Видео: 7.4. Электрорецепция
Видео: 7.5. Магниторецепция
Видео: 7.6. Мир в поляризованном свете

Описание преподавателя: Анна Юшкова, Кандидат биологических наук, доцент, Кафедра естественнонаучных дисциплин ВКИ НГУ
Категория: Медико-биологические науки

Описание категории: Специализации и курсы по медико-биологическим наукам посвящены свойствам организмов и живых экосистем; сюда относится биология, диетология, зоология и медицина. Курсы в данной области улучшат ваше понимание растительной и животной жизни и умение анализировать способы взаимодействия и реагирования на изменения комплексных систем.

Тематика: Биология

Материал:



Ресурсы http://r.ournet.biz/2gSmbFA